Propuesta de sistema de tratamiento para la reducción del ...
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Proyecto Final de Graduación para optar por el grado de Licenciatura en Ingeniería Ambiental “Propuesta de sistema de tratamiento para la reducción del contenido de Dureza Total y Sulfato del agua en el acueducto de la ASADA Santa Cruz de Turrialba ” Manuel Eduardo Sancho Vargas CARTAGO, febrero, 2019
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA
ESCUELA DE QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
Proyecto Final de Graduación para optar por el grado de Licenciatura en Ingeniería
Ambiental
“Propuesta de sistema de tratamiento para la reducción del contenido de Dureza
Total y Sulfato del agua en el acueducto de la ASADA Santa Cruz de Turrialba”
Manuel Eduardo Sancho Vargas
CARTAGO, febrero, 2019
“Propuesta de sistema de tratamiento para la reducción del contenido de Dureza Total
y Sulfato del agua en el acueducto de la ASADA Santa Cruz de Turrialba”
Informe presentado a la Escuela de Química del Instituto Tecnológico de Costa Rica como
requisito parcial para optar por el título de Ingeniero Ambiental con el grado de licenciatura
Miembros del tribunal
______________________________
Ing. Macario Pino Gómez
Director
__________________________
Ph.D Federico Masis Meléndez
Lector 1
__________________________
Dr. Rer. Nat. Ricardo Starbird Pérez
Lector 2
__________________________
MSc. Diana Alexandra Zambrano Piamba
Coordinador COTRAFIG
__________________________
PhD. Floria Roa Gutiérrez
Directora Escuela de Química
__________________________
MSc. Ana Lorena Arias Zúñiga
Coordinadora Carrera de Ingeniería Ambiental
DEDICATORIA
A mi mamá y mi papá, por ser ese apoyo incondicional. Por ser esas personas maravillosas
que me han dado su amor, por creer en mí y por tanto que me han ayudado en cada etapa
de mi vida.
A mis hermanos Dayanna y Diego, por ser esas personitas especiales en mi vida.
A Daniela, por creer en mí desde un comienzo. Por dar lucecita durante todo este tiempo a
mi lado y darme todo su apoyo.
i
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por tenderme su mano y demostrarme cuán grande es su amor. Por permitirme llegar
a este punto y alcanzar esta meta.
A la junta directiva de la Asociación Administradora del Acueducto Rural de Santa Cruz de
Turrialba, al personal administrativo, así como a los fontaneros, por la colaboración brindada
durante las visitas de campo.
Al personal del Centro de Investigación y de Servicios Químicos y Microbiológicos del
Tecnológico de Costa Rica, por brindarme su colaboración en todo momento.
Al personal de la Escuela de Química y de la Carrera de Ingeniería Ambiental, a mis
compañeros de cursos a lo largo de estos años por haber contribuido de una u otra manera.
Al profesor Ricardo Starbird Pérez, por la colaboración brindada para la compra de la resina
para las pruebas experimentales. Muchas gracias por apoyo.
Al Profesor Federico Masis Meléndez, por el apoyo brindado para la realización de las
pruebas en laboratorio, por su tiempo y dedicación.
A mi profesor tutor Macario Pino Gómez, quien me brindó su confianza para llevar a cabo
este proyecto, gracias por el apoyo, el tiempo y el conocimiento que me dio durante la
realización de este proyecto.
ii
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ...................................................................................................................................... 1
ABSTRACT...................................................................................................................................... 2
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 3
2. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 4
2.1.1 Objetivo general ....................................................................................................... 4
2.1.2 Objetivos específicos ................................................................................................. 4
3. REVISIÓN DE LITERATURA ..................................................................................................... 5
3.1 CALIDAD DEL AGUA ............................................................................................................. 5
3.1.1 Afectación de la calidad del agua .............................................................................. 6
3.2 GENERALIDADES DE LOS TRATAMIENTOS PARA LA POTABILIZACIÓN DEL AGUA .......... 11
3.2.1 Tecnologías para el ablandamiento de agua para consumo humano ....................... 13
3.2.2 Tecnologías para remover sulfatos de agua para consumo humano ........................ 18
3.3 SISTEMA DE TRATAMIENTO PARA POTABILIZACIÓN DE AGUA ..................................... 21
3.3.1 Generalidades ......................................................................................................... 21
3.3.2 Implementación de unidades de intercambio iónico ............................................... 23
4. MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................................................... 24
4.1 LUGAR DE ESTUDIO ..................................................................................................... 24
4.2 CARACTERIZACIÓN DEL RECURSO HÍDRICO .................................................................. 26
4.2.1 Oferta del recurso hídrico disponible ...................................................................... 26
4.2.2 Análisis de calidad del agua captada ........................................................................ 27
4.2.3 Análisis de la demanda actual de agua potable........................................................ 28
4.2.4 Análisis de la demanda futura de agua potable ....................................................... 29
4.3 SELECCIÓN DE TECNOLOGÍA DE TRATAMIENTO ........................................................... 31
4.3.1 Caracterización del agua para fase experimental ..................................................... 31
4.3.2 Ablandamiento del agua por precipitación .............................................................. 32
4.3.3 Montaje de unidad de intercambio iónico para remoción de sulfato ....................... 36
4.4 DISEÑO DE SISTEMAS PARA LA POTABILIZACIÓN DE AGUA .......................................... 41
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................. 41
5.1 OFERTA DEL RECURSO HÍDRICO DISPONIBLE ............................................................... 41
iii
5.2 ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA CAPTADA ............................................................. 50
5.3 ANÁLISIS DE LA DEMANDA ACTUAL DE AGUA POTABLE ............................................... 54
5.3.1 Proyección de la demanda futura ............................................................................ 57
5.3.2 Cálculo del consumo futuro de agua ....................................................................... 58
5.4 SELECCIÓN DE TECNOLOGÍA DE TRATAMIENTO ........................................................... 61
5.4.1 Ablandamiento del agua por precipitación .............................................................. 62
5.4.2 Unidad de intercambio aniónico para la remoción de sulfato en agua ..................... 63
5.5 sistema para la potabilización de agua ........................................................................ 69
5.5.1 Sistema de tratamiento actual ................................................................................ 69
5.5.2 Propuesta de sistema de tratamiento...................................................................... 72
6. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 76
7. RECOMENDACIONES ........................................................................................................... 77
8. REFERENCIAS ...................................................................................................................... 79
9. APÉNDICES .......................................................................................................................... 82
APÉNDICE 1. REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LAS CAPTACIONES Y SU SITIO DE AFORO. .... 82
APÉNDICE 2. REGISTRO DE AFOROs ................................................................................ 84
APÉNDICE 3. REGISTRO DE AFOROS REALIZADOS POR EL PROYECTISTA......................... 85
APENDICE 4. REGISTRO DE ANÁLISIS DE LABORATORIO ................................................. 88
APÉNDICE 5. DATOS DE MICROMEDICIÓN APORTADOS POR LA ADMINISTRACIÓN DEL
ACUEDUCTO RURAL DE SANTA CRUZ DE TURRIALBA ...................................................... 91
APÉNDICE 6. PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN PARA LA COMUNIDAD DE SANTA CRUZ DE
TURRIALBA ...................................................................................................................... 93
APÉNDICE 7. COMPARACIÓN DE RESINAS DISPONIBLES COMERCIALMENTE.................. 94
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1. Esquema de tratamiento para ablandamiento de agua mediante cal. ................ 17
Figura 3.2 Esquema de una columna de intercambio iónico y su ciclo de servicio. Adaptado
de (AWWA, 2011) ................................................................................................... 19
Figura 4.1. Ubicación de las nacientes del Acueducto Rural de Santa Cruz. ..................... 25
Figura 4.2. Esquema del sistema de columna de intercambio iónico a escala de laboratorio
................................................................................................................................. 40
Figura 5.1. Histograma de los caudales reportados durante los aforos comprendidos entre los
años 2015 y 2018. .................................................................................................... 45
Figura 5.2. Comportamiento de las precipitaciones registradas por la estación meteorológica
de Capellades de Alvarado, periodo comprendido del 2013 al 2017. ......................... 48
Figura 5.3. Comparación de caudales y precipitación para los años 2016 y 2017 .............. 49
Figura 5.4. Comportamiento de la concentración de Sulfato. ............................................ 53
Figura 5.5. Comportamiento de la concentración de Dureza Total. ................................... 53
Figura 5.6. Consumo de agua potable mensual de acuerdo con el registro de la cantidad de
abonados con micro medición instalada del mes de setiembre de 2017 al mes de abril de
2018. ........................................................................................................................ 55
Figura 5.7. Comportamiento de la población futura del distrito Santa Cruz de Turrialba ... 58
Figura 5.8. Curva de ruptura de la resina Amberlite® IRA 910 para la retención del ion
sulfato. ..................................................................................................................... 65
Figura 5.9. Eficiencia de remoción del ion sulfato por parte de la resina Amberlite® IRA 910
................................................................................................................................. 65
Figura 5.10. Comparación de puntos experimentales y curvas de ruptura calculadas por (a)
modelo de Thomas (b) modelo de Bohart Adams (c) modelo de Yoon- Nelson y (d)
modelo de Wolborska. .............................................................................................. 68
Figura 5.11. Sistema de cloración en tanque de reunión de aguas ..................................... 71
Figura 5.12. Esquema de tratamiento de aguas propuesto para el abastecimiento de agua por
parte del Acueducto Rural de Santa Cruz de Turrialba .............................................. 72
v
LISTA DE CUADROS
Cuadro 3.1. Cobertura de agua potable en Costa Rica para el año 2014 .............................. 6
Cuadro 3.2. Tecnologías para el tratamiento de agua para su potabilización. .................... 12
Cuadro 3.3. Clasificación de la dureza en agua para consumo humano ............................. 14
Cuadro 3.4. Modelos de ajuste de curvas de ruptura ......................................................... 20
Cuadro 4.1. Descripción de la zona de aforo para cada naciente que abastece al Acueducto
Rural de Santa Cruz de Turrialba. ............................................................................. 26
Cuadro 4.2. Métodos utilizados por el CEQIATEC para la medición de los parámetros de
calidad de agua de las muestras tomadas en las captaciones del acueducto. ............... 28
Cuadro 4.3. Resultados de la caracterización del recurso hídrico de las nacientes Caragra y
La Quebrada. ............................................................................................................ 32
Cuadro 4.4. Resultados de las mediciones de masa de cal comercial................................. 33
Cuadro 4.5. Cálculo de la concentración inicial de hipoclorito de calcio para preparar la curva
de demanda de cloro. ................................................................................................ 34
Cuadro 4.6. Tratamientos realizados ................................................................................ 35
Cuadro 4.7. Datos de pH y temperatura para los tratamientos posterior a agitación rápida 35
Cuadro 4.8. Características de la resina seleccionada. ....................................................... 37
Cuadro 4.9. Valores para la estimación del volumen de agua a tratar ................................ 38
Cuadro 5.1. Registro de aforos de las nacientes captadas por el acueducto rural de Santa Cruz
de Turrialba de los años 2015 y 2016........................................................................ 43
Cuadro 5.2. Registro de aforos de las nacientes captadas por el acueducto rural de Santa Cruz
de Turrialba de los años 2017 y 2018........................................................................ 44
Cuadro 5.3. Descripción de riesgos y oportunidades de mejora para los aforos en captaciones
que emplea la ASADA Santa Cruz de Turrialba. ...................................................... 46
Cuadro 5.4. Resumen de caudal promedio ofertado por las nacientes captadas por el
acueducto rural de Santa Cruz de Turrialba. ............................................................. 50
Cuadro 5.5. Registro histórico de los análisis de laboratorio realizados por el acueducto rural
de Santa Cruz de Turrialba. ...................................................................................... 51
Cuadro 5.6. Concentración promedio de los contaminantes por naciente .......................... 51
vi
Cuadro 5.7. Coeficientes de correlación entre el sulfato y parámetros de calidad del agua con
valores por encima de la norma nacional. ................................................................. 52
Cuadro 5.8. Datos de consumo promedio y per cápita para los sistemas de micro medición
instalados por la ASADA Santa Cruz de Turrialba. .................................................. 56
Cuadro 5.9. Índices de crecimiento poblacional para el distrito de Santa Cruz de Turrialba
................................................................................................................................. 57
Cuadro 5.10. Datos de población futura para el distrito de Santa Cruz de Turrialba. ......... 57
Cuadro 5.11. Resultados de la estimación de la dotación bruta. ........................................ 59
Cuadro 5.12. Estimación del Qmd, QMD y QMH para los años 2040 y 2045 ................... 59
Cuadro 5.13. Capacidad de las tecnologías para la reducción de contaminantes en agua para
consumo humano. .................................................................................................... 61
Cuadro 5.14. Resultados de la evaluación de cal comercial para la remoción de dureza total
y sulfatos del agua que abastece el Acueducto Rural de Santa Cruz de Turrialba. ..... 62
Cuadro 5.15. Resultados de aplicación de 4 modelos experimentales para la prueba de
intercambio iónico de la resina Amberlite® IRA 910 ............................................... 67
Cuadro 5.16. Cálculo de los volúmenes de almacenamiento ............................................. 75
vii
LISTA DE SIGLAS Y ACRÓNIMOS
ARESEP Autoridad Reguladora de los Servicios Públicos
ASADAs Asociaciones Administradoras de Acueductos y Alcantarillados
ASCE Sociedad Americana de Ingenieros Civiles
AWWA Asociación Americana de Obras Hidráulicas
BTC Curva de ruptura
BV Volumen de lecho
CAARs Comités Administradores de Acueductos Rurales
CCH Dureza del Carbonato de Calcio
CEQIATEC
CNH Dureza del Calcio sin Carbonato
EBCT Tiempo de contacto del filtro vacío
ESPH Empresa de Servicios Públicos de Heredia
FAO Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura
ICAA Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados
IFAM Instituto de Fomento y Asesoría Municipal
INEC Instituto Nacional de Estadísticas y Censos
MCH Dureza del Carbonato de Magnesio
MNH Dureza del Magnesio sin Carbonato
N.R Dato no registrado
OMS Organización Mundial de la Salud
Qmd Caudal medio diario
QMD Caudal máximo diario
QMH Caudal máximo horario
SFR Tasa de Flujo de Servicio
1
RESUMEN
La Asociación Administradora del Acueducto Rural de Santa Cruz de Turrialba, a lo largo
de los últimos años, ha registrado problemas con la calidad del recurso hídrico. Esto ha
comprometido el servicio que se brinda a la población, debido al incumplimiento con los
parámetros establecidos por la legislación vigente. Tal situación, generó la necesidad de
llevar a cabo un estudio para evaluar la cantidad y la calidad del agua disponible para atender
las necesidades presentes y futuras de la población. Además, basándose en el
comportamiento de la calidad del agua, fue necesario plantear una revisión de tecnologías
disponibles para el tratamiento de agua comprometida con valores elevados de dureza
ocasionada por calcio, magnesio y sulfato. Se encontró para el tratamiento de la dureza el
ablandamiento por precipitación, la cual fue analizada y se obtuvo una capacidad para
remover magnesio de hasta un 99,87% y desfavorable para el calcio pues se dio un
incremento en su concentración en el efluente con respecto al valor inicial según los
tratamientos llevados a cabo. En el caso de la cloración del agua, se observó como al ser
añadido el hipoclorito de calcio al agua se disminuyeron los valores de calcio y magnesio en
(12,35% y 61,90%), hecho que provocó que el agua estuviera acorde con lo estipulado por el
reglamento para la calidad del agua potable de Costa Rica. Para el caso del sulfato, se realizó
a nivel de laboratorio un ensayo piloto empleando una columna empacada con la resina
Amberlite® IRA 910. Haciendo un análisis de correlación entre la curva de ruptura y los
modelos aplicados se destacó el modelo de Thomas, pues se observó un coeficiente de
correlación de 0,9892. A partir de este modelo se estimó una capacidad de remoción de 84,30
mg·g-1. De esta manera, se evidencia la posibilidad de emplear el intercambio iónico como
alternativa viable, para ello se deben realizar una mayor cantidad de pruebas a nivel de
laboratorio o a nivel piloto en el campo.
Palabras clave: Agua potable, Dureza total, Ablandamiento del agua, Sulfato, Intercambio
iónico.
2
ABSTRACT
The Administrative Association of the Rural Aqueduct of Santa Cruz, Turrialba, over the last
few years, has registered problems with the quality of the water resource. This has
compromised the service provided to the population, due to non-compliance with the
parameters established by current legislation. Such situation, generated the need to carry out
a study to evaluate the quantity and quality of water available to meet the present and future
needs of the population. In addition, based on the behavior of water quality, it was necessary
to propose a review of available technologies for the treatment of water compromised with
high values of hardness caused by calcium and magnesium, as well as sulphate. It was found
for the treatment of the hardness the softening by precipitation, and it was obtained a capacity
to remove magnesium of up to 99.87% and unfavorable for calcium because there was an
increase in its concentration in the effluent with respect to the initial value according to the
treatments carried out. In the case of water chlorination, it was observed that when calcium
hypochlorite was added to water, the calcium and magnesium values were reduced (12.35%
and 61.90%), which caused the water to be in agreement with the stipulations of the
regulation for the quality of drinking water in Costa Rica. In the case of sulphate, an assay
was performed at the laboratory level using a column packed with the Amberlite® IRA 910
resin. There was a correlation of the data using a Thomas model, since it was observed a
correlation coefficient of 0.9892. From this model, a removal capacity of 84.30 mg · g-1 was
estimated. In this way, evidenced the possibility of using ion exchange as a viable alternative,
for this, a greater number of tests should be carried out at the laboratory or pilot level
Key words: Drinking water, Total hardness, Water softening, Sulfate, Ionic exchange.
3
1. INTRODUCCIÓN
El abastecimiento de agua en términos de calidad y cantidad en el mundo está afrontando
problemas. Es indispensable disponer de este recurso para satisfacer todas las necesidades
humanas, tanto para su consumo como para el aseo. Sin embargo, una tercera parte de las
personas en el planeta no cuenta con acceso al agua potable (Schwarzenbach, Egli, Hofstetter,
von Gunten, & Wehrli, 2010) tal situación, requiere la toma de acciones para asegurar la
calidad del recurso hídrico que se abastece a la población.
Los requerimientos básicos para asegurar la calidad del agua para consumo humano, de
acuerdo con la Organización Mundial de la Salud, OMS por sus siglas, se basan en hacer un
manejo preventivo del recurso desde el momento en que es captada en la fuente hasta su uso
por parte de los consumidores. En otras palabras, debe asegurarse la protección del agua
desde su origen para así evitar que sea contaminada y que esto perjudique posteriormente el
sistema de tratamiento o desinfección empleado previo a la distribución a los usuarios del
servicio (OMS, 2011)
En el caso de Costa Rica, las asociaciones administradoras de sistemas de acueductos y
alcantarillados comunales (ASADAs) y los Comités Administradores de Acueductos Rurales
(CAARs) abastecen a una población aproximada de 1 406 495 con una potabilidad del 80%.
Estas entidades, presentan deficiencias en cuanto a la capacidad para desarrollar y realizar
acciones de intervención de manera concertada y planificada, que les permita prevenir,
mitigar o reducir los riesgos existentes en su gestión, y de esta forma, conducir hacia un
desarrollo sostenible (Melo & Salazar, 2009) Al no tomarse las acciones necesarias para la
identificación de amenazas al sistema, la estimación de las vulnerabilidades y la elaboración
de planes de atención a emergencias, se está en una situación que puede afectar el bienestar
de la población, así como la continuidad en la prestación del servicio de abastecimiento de
agua (Herrera J. , Recurso hídrico y saneamiento: avances y desafíos, 2016)
Actualmente, la ASADA de Santa Cruz, Noche Buena y San Juan de Turrialba, tienen
ubicadas sus nacientes en las laderas bajas del Volcán Turrialba. Ellas han presentado
problemas en la calidad del recurso hídrico que brinda a la población, debido a la presencia
de contaminantes inorgánicos: calcio, magnesio y sulfato principalmente. Esta situación ha
provocado que estas asociaciones presenten la necesidad de solucionar dicho problema, de
manera tal, que el servicio brindado a los habitantes de estas comunidades cumpla la
4
normativa nacional vigente y se reduzcan las posibles afectaciones a la población. Para esto,
la presente investigación se planteó la necesidad de encontrar una alternativa de tratamiento
para el ablandamiento del agua así como para la eliminación del ion sulfato.
2. OBJETIVOS
2.1.1 Objetivo general
Desarrollar una propuesta de sistema de tratamiento para disminuir el contenido de Dureza
Total y Sulfato en el agua del Acueducto Rural de la Asada Santa Cruz de Turrialba.
2.1.2 Objetivos específicos
Realizar caracterización del recurso hídrico que abastece el acueducto de la ASADA Santa
Cruz de Turrialba.
Seleccionar un sistema de tratamiento para la reducción del contenido de dureza total y
sulfato en el agua usada para consumo humano por esta ASADA.
Verificar a escala de laboratorio la capacidad del ablandamiento con cal y el intercambio
iónico con resina para disminuir el contenido de dureza total y sulfato en el agua de este
acueducto.
5
3. REVISIÓN DE LITERATURA
En el presente capítulo se muestra información básica acerca de la calidad del recurso hídrico,
como se ve afectada la calidad del agua para consumo humano con la presencia de agentes
causantes de dureza y el sulfato. Además, se introducen cuáles son los aspectos que se
contemplan en la legislación vigente. Se aborda el tema de las tecnologías disponibles para
el tratamiento de aguas contaminadas. En el caso del tratamiento de dureza mediante
ablandamiento, se profundiza el tema de la precipitación de agentes causantes de la dureza.
Con respecto al contenido de iones sulfato, se aborda el tema del intercambio iónico mediante
el uso de resinas y la predicción del comportamiento de estos sistemas. Finalmente se
establecen los criterios que deben ser considerados para adoptar estos sistemas en diseños de
plantas de tratamiento de agua para consumo humano.
3.1 CALIDAD DEL AGUA
De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud, OMS (2006), el agua de consumo
potable es aquella que no ocasiona ningún riesgo significativo para la salud cuando se
consume a lo largo de toda la vida. Las personas deben disponer de un suministro
satisfactorio, que sea suficiente, inocuo y accesible. Por tal motivo, debe darse el máximo
esfuerzo para la lograr que la inocuidad del agua de consumo sea la mayor posible.
También, se considera como agua potable toda aquella que pueda ser ingerida, que
abastece y satisface las necesidades de los seres humanos, esto porque su composición
química no presenta contaminantes que generen algún problema, sean estos
microorganismos, sustancias químicas, agentes infecciosos, entre otros. Estos contaminantes,
pueden ser un peligro para las personas que la consumen, por eso, es necesario la potabilidad.
Por tales situaciones, es fundamental el conocimiento de la calidad del agua cuando es
destinada para el consumo humano (Pérez-López, 2016)
En Costa Rica, el Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados (ICAA) de
acuerdo con su ley constitutiva debe resolver todo lo relacionado con el suministro de agua
potable, dirigir, fijar políticas, establecer y aplicar normas, realizar y promover el
planeamiento, financiamiento y desarrollo para el correcto abastecimiento a la población.
6
También, es de su competencia rectora, la evaluación y control de la calidad del agua en los
sistemas de abastecimiento. En cuanto a los operadores encargados del suministro del recurso
hídrico, estos tienen como misión llevar agua de calidad a sus usuarios. Sin embargo, por
diversos motivos esto no ocurre siempre. (ICAA, 2015)
De acuerdo con los datos presentados por el ICAA, y según el tipo de ente operador, ver
cuadro 3.1., la cobertura de agua potable en el país para los CAARs y las ASADAs es de un
82,4%, siendo este valor el menor para los organismos prestadores del servicio. Esto
representa un total de 241.129 habitantes cuya agua no se considera potable. (ICAA, 2015)
Cuadro 3.1. Cobertura de agua potable en Costa Rica para el año 2014
Ente
operador
Cobertura de
agua potable (%)
Población con
agua potable
ICAA 99,0 2.210.567
Municipalidades 95,1 635.793
ESPH 99,1 227.930
CAARs - ASADAs 82,4 1.130.268
Total 93,4 4.204.558
Adaptado de ICAA (2015)
3.1.1 Afectación de la calidad del agua
La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, por
sus siglas en inglés) (2012) menciona que las interacciones ser humano-ambiente ha tenido
consecuencias particularmente negativas para este segundo. En el caso del uso del agua, ha
estado incrementando globalmente e incluso dos veces más rápido que el crecimiento de la
población mundial durante el último siglo, lo que ha venido generando un creciente número
de zonas que están cercanas a límites en los cuales los servicios de agua no podrán ser
entregados de manera sostenible.
El consumo irracional y desmedido de los recursos naturales y sus efectos es notable. Se
señala que, el planeta no tiene la capacidad de mantener el nivel de vida de las sociedades,
en cuanto a la calidad y disponibilidad de recursos para las generaciones presentes y futuras,
en mantener el estado óptimo la salud de los seres vivos, y en el equilibrio natural. Esta
problemática global, recae directamente sobre el aire, suelo y especialmente sobre el agua,
7
pues, es señalada como el componente más importante en el mundo debido a la dependencia
que tienen todas las formas de vida por este recurso. Sin embargo, la relativa abundancia del
agua en Costa Rica ha creado la impresión que es infinitamente renovable y esto ha
ocasionado un consumo desmesurado (Moreira, Araya, & Charpentier, 2015)
Esta relativa disponibilidad del recurso hídrico del país se ve afectada por el mal manejo
realizado, lo que amenaza su posibilidad de aprovechamiento en términos de calidad y
cantidad. Algunos de los factores que comprometen la continuidad en el uso de este recurso
son: la sobreexplotación, la contaminación de las aguas subterráneas y superficiales debido
a las actividades del ser humano, la deforestación y afectación a las áreas de recarga, y los
cambios en los patrones de precipitación (Herrera G. , 2011)
De acuerdo con Rajmohan & Amarasinghe (2016) la calidad de las aguas subterráneas es
uno de los aspectos más importantes en su gestión al igual que su disponibilidad e idoneidad.
Además, Sojobi (2016) señala que las principales fuentes de abastecimiento de agua para
consumo humano en zonas rurales alrededor del mundo son las aguas subterráneas obtenidas
a través de perforaciones, pozos de poca profundidad y también de las nacientes. Con
respecto a la calidad, ambos autores indican que no solo se ve influenciada por actividades
antrópicas, como las actividades agrícolas, desarrollos rurales y urbanos sin planificación,
industrialización, cambios en el uso de suelos, el impropio manejo y disposición de aguas
residuales, bombeos de agua, lixiviación de aguas provenientes de rellenos sanitarios mal
diseñados y construidos, fosas sépticas, y sistemas de drenaje.
También, está condicionada por los materiales del acuífero y procesos hidro y
geoquímicos, litología, interacciones entre el agua y la roca e intrusión salina. Además, las
propiedades químicas del agua subterránea se ven afectadas por aspectos como las
formaciones geológicas y las condiciones climáticas. Además, los acuíferos superficiales son
vulnerables a la contaminación proveniente de las aguas superficiales y de la recarga de aguas
de la superficie terrestre.
Entonces, la afectación de la calidad del agua ocurre debido a componentes químicos
añadidos de forma natural y artificial al agua de consumo que tienen la capacidad de producir
efectos adversos sobre la salud tras periodos de exposición, generalmente prolongados. Entre
ellos, se destacan algunas sustancias como el fluoruro, arsénico, nitratos, nitritos, otros. Otro
de los aspectos que pueden repercutir en la calidad del recurso hídrico son los sabores y
8
olores. La aceptabilidad del agua depende en gran medida que no existan componentes
microbianos, físicos y químicos que provoquen un rechazo por parte de los consumidores.
Es por este motivo que debe investigarse cualquier cambio en el aspecto, sabor y olor del
agua (OMS, 2006)
Los contaminantes de tipo químico presentes en el agua se pueden agrupar considerando
la fuente principal del contaminante, esto permite tomar acciones para evitar o reducir al
máximo la contaminación. Cuando la contaminación del agua por aspectos químicos ocurre,
el peligro que acarrea se puede controlar a partir de la selección del agua de origen, el control
de su contaminación, su tratamiento o su mezcla con otras aguas, e inclusive se puede
controlar la contaminación que ocurre cuando se produce o se distribuye el agua de consumo,
para esto, se optimizan los procesos o se especifican las características de los productos
utilizados (OMS, 2006)
Con respecto a los componentes químicos de tipo inorgánicos, que a su vez son de origen
natural y están presentes en el agua, existen muchas sustancias que son producto de diversas
formas de liberación, como los mencionados anteriormente. Entonces, resulta necesario
determinar si las fuentes de agua pueden utilizarse sin tratamiento adicional o si sería
necesario algún sistema para retirar las sustancias contaminantes. En otros casos, cuando se
dispongan de varias fuentes de agua, se podría alcanzar un resultado aceptable mediante la
dilución o mezcla de agua con concentraciones altas con agua que contenga menores
concentraciones de un contaminante. En el caso de sustancias químicas como las sales de
calcio y magnesio (dureza) y sulfato se presentan naturalmente en el agua y pueden afectar
la aceptabilidad del agua de consumo (OMS, 2006)
3.1.1.1 Origen de la dureza y afectación en el agua
El término Dureza del agua hace relación a las concentraciones de compuestos
inorgánicos, en este caso, cationes metálicos multivalentes que se encuentren presentes en el
agua. A su vez, existen maneras para clasificar la dureza, la primera de ellas es la dureza
debida a carbonatos, la cual es sensible al calor y precipita a altas temperaturas. En segunda
instancia, se tiene la dureza no carbonatada, esta se distingue por no ser posible su remoción
por calor, está asociada a sustancias como los sulfatos, cloruros y nitratos. Existen elementos
9
que son más comunes de relacionar con la dureza, el calcio y magnesio son dos de estas
sustancias que son tomadas en cuenta para determinar este parámetro. La dureza del agua
tiene asociado beneficios y consecuencias para la salud, no obstante, hoy en día son tema de
discusión. Las sales incrustantes son las que generan que al agua se le considere como “dura”
y rangos entre los 150 a 300 miligramos por litro (mg·L-1) expresados como carbonato de
calcio (CaCO3) son considerados así. Por otra parte, valores de dureza de 80 a 100 mg·L-1
como CaCO3 son aceptables para considerar potable el agua. Para el caso de Costa Rica se
considera como valor recomendable los 400 mg·L-1 como CaCO3 con un valor máximo
permisible de 500 mg·L-1 como CaCO3. (Pérez-López, 2016)
De acuerdo con la OMS (2006) valores por encima a los 200 mg·L-1 pueden provocar la
formación de incrustaciones, mientras que valores por debajo a los 100 mg·L-1 tienen una
baja capacidad de amortiguación y pueden ser más corrosivas para las tuberías. Según esta
entidad, estudios epidemiológicos, ecológicos y analíticos han demostrado que existe una
relación inversa estadísticamente significativa entre la dureza del agua de consumo y las
enfermedades cardiovasculares. No obstante, el grado de la dureza del agua puede afectar su
aceptabilidad por parte del consumidor en lo que se refiere al sabor y a la formación de
incrustaciones.
3.1.1.2 Origen del sulfato y afectación en el agua
El Azufre es un elemento que, según su ciclo hidrogeológico se encuentra en la naturaleza
en diferentes estados de oxidación, de los cuales solamente 3 son considerados estables en el
medio natural, el sulfuro (S2-), azufre elemental (S0) y el sulfato (SO42-). Siendo este último,
la especie acuosa del azufre con mayor presencia en los sistemas geoquímicos aeróbicos.
(Bowell, s.f). En cuanto a la especiación y abundancia de las especies del azufre en las aguas
subterráneas, Tostevin, Craw, Van Hale, & Vaughan (2016) mencionan que tienen
implicaciones importantes para las reacciones Redox y el balance del pH, la ecología y la
calidad del agua para consumo humano.
Con respecto a la presencia de sulfato en aguas subterráneas, según lo menciona
Paternoster, Parisi, Caracasi, Favara, & Mongelli (2010) pueden derivar de la oxidación de
la pirita y otras formas inorgánicas reducidas del azufre durante la meteorización, la
10
mineralización del azufre orgánico contenido en el suelo, lixiviación de minerales de sulfato,
el sulfato presente en las aguas de lluvia y aguas geotérmicas.
Además, Tostevin et. al (2016) incluye algunas fuentes como el agua de lluvia, estas
pueden acarrear el azufre de aerosoles marinos, contaminantes atmosféricos e incluso de
gases volcánicos y la meteorización geológica de minerales de sulfito y evaporita. Con
relación a los minerales de sulfuros, estos pueden oxidarse fácilmente cuando se exponen al
oxígeno a medida que el agua circula a través de acuíferos poco profundos. Esta situación,
aumenta la lixiviación de minerales que contienen azufre y aumenta la carga disuelta de estas
sustancias. Los minerales sulfurosos pueden incluir evaporitas, sulfuros sedimentarios o
sulfuros magmáticos, dependiendo de la geología regional, clima, y actividades humanas.
Debido a tales situaciones, la degradación en la calidad de las aguas subterráneas es
planteada como un tema inquietante y se ha convertido en una preocupación a nivel mundial
suplir con la demanda de agua para consumo humano debido a que la necesidad cada vez es
mayor. Específicamente con relación al sulfato, se conoce que las concentraciones naturales
en agua dulce son usualmente menores a 300 mg·L-1 (Alfarrah, Berhane, Chikira, Van Camp,
& Walraevens, 2016)
En cuanto a las afectaciones asociadas al sulfato, según la OMS (2011) la presencia de
sulfato en las aguas destinadas para consumo humano puede causar un sabor que es
perceptible. El deterioro del sabor varía con la naturaleza del catión asociado; se ha
encontrado que los umbrales de sabor están comprendidos entre 250 mg·L-1 para sulfato de
sodio y 1000 mg·L-1 para sulfato de calcio. Generalmente se considera que el deterioro del
sabor es mínimo a niveles por debajo de 250 mg·L-1.
Sin embargo, los datos existentes no han identificado un nivel de sulfato en agua para
consumo que pueda causar efectos negativos en la salud humana. Los niveles altos tienen un
efecto laxante en consumidores no acostumbrados, principalmente cuando se consume una
cantidad de sales como el sulfato de sodio y sulfato de magnesio en concentraciones que
superen los 1000-1200 mg·L-1. Pero, no existe un incremento en diarreas, deshidratación o
pérdida de masa corporal. Además, es recomendable que las autoridades de salud notifiquen
las fuentes de agua potable que contienen concentraciones de sulfatos por encima de 500
mg·L-1 (OMS, 2011)
11
Como un aspecto a considerar de manera adicional, se ha encontrado que las
concentraciones de sulfato que superen los 200 mg·L-1 favorecen la corrosión de los metales.
En el caso de Costa Rica se estableció como valor recomendable los 25 mg·L-1, y como valor
máximo permisible los 250 mg·L-1, según el Reglamento para la Calidad del Agua Potable
(decretos N° 38924-S y N°41499-S) (Bolaños-Alfaro, Cordero-Castro, & Segura-Araya,
2017)
3.2 GENERALIDADES DE LOS TRATAMIENTOS PARA LA POTABILIZACIÓN
DEL AGUA
De acuerdo con la Asociación Americana de Obras Hidráulicas, AWWA y la Sociedad
Americana de Ingenieros Civiles, ASCE (2012) para lograr mejorar los sistemas de
distribución de agua, se debe hacer una planificación que permita identificar las necesidades
presentes y futuras y determinar la dirección que se debe tomar. Para esto, se deben identificar
cuáles son los componentes existentes del sistema y el área de servicio que abarcan, también,
se deben realizar las proyecciones a largo plazo del área a ser servida por el acueducto,
tomando en cuenta los periodos de planificación para las diferentes instalaciones del sistema
de agua, así como las demandas de agua presentes y futuras. Además, se tienen que
considerar los requisitos regulatorios para la aprobación y operación final del sistema e
incluir una evaluación de fuentes alternativas de suministro como estrategia para atender los
impactos que puedan tener las regulaciones, los aspectos sociales y ambientales como es el
caso del cambio climático de manera tal, que se pueda hacer un uso sostenible de los recursos
hídricos (AWWA & ASCE, 2012)
En el mundo, según AWWA (2012) se han desarrollado diferentes tecnologías de
tratamiento de aguas para consumo humano tal y como se muestra en el cuadro 3.2. De esta
manera, al momento de diseñar sistemas para la potabilización del agua las posibilidades
existentes para alcanzar el nivel de potabilidad adecuado son amplias.
12
Cuadro 3.2. Tecnologías para el tratamiento de agua para su potabilización.
Turbiedad/ remoción de partículas
a. Coagulación
b. Floculación
c. Clarificación
Sedimentación simple
Sedimentación de placas
Unidades de contacto de sólidos
Flotación de aire disuelto
d. Unidades de contacto de sólidos
e. Flotación de aire disuelto
f. Filtración
Filtros de arena rápidos – convencionales
Filtros de arena rápidos – filtración directa
Filtros de arena lentos
Filtración de tierra de diatomeas
Microfiltración
Ultrafiltración
Nanofiltración
Osmosis inversa
Bacterias, virus, remoción de quistes o inactivación
a. Remoción – filtración (por encima)
b. Inactivación – desinfección
Cloro
Cloraminas
c. Inactivación – desinfección
Dióxido de cloro
Ozono
Radiación ultravioleta
Control de corrosión e incrustación
a. Post tratamiento
Ajuste del pH
Adición de inhibidor
Color
a. Coagulación/filtración rápida en arena
b. Coagulación/microfiltración
c. Adsorción
Carbón activado granular (CAG)
Carbón activado en polvo (CAP)
Resinas sintéticas (intercambio iónico)
d. Ultrafiltración o Nanofiltración
e. Oxidación
Ozono
Cloro
Permanganato de potasio
Dióxido de cloro
Control de olor y sabor
a. Oxidación
Ozono
Cloro
Dióxido de cloro
b. Oxidación
Permanganato de potasio
Adsorción (CAG o CAP)
Remoción de compuestos orgánicos volátiles
a. Extracción de aire
b. Adsorción (CAG)
c. Combinación de los anteriores
13
Continuación del cuadro 3.2.
Control de subproductos de la desinfección
a. Eliminación de precursores
Coagulación mejorada o ablandamiento
Adsorción (CAG)
Carbón activado biológico (CAB) o CAG con pre-
ozonización
Nanofiltración
b. Remoción de subproductos de la
desinfección
Adsorción (CAG)
Extracción de aire (parcial)
Remoción/secuestro de hierro y manganeso
a. Filtración de precipitados formados por pre-oxidación
b. Adsorción/oxidación
Medios de arena y/o antracita
Medios de arena verde
Medios propietarios
c. Adición de polifosfatos
Remoción de dureza
a. Ablandamiento con cal
b. Intercambio iónico
c. Nanofiltración
d. Osmosis inversa
Remoción de compuestos orgánicos e inorgánicos
a. Intercambio iónico
b. Tratamiento biológico
c. Adsorción por CAG o CAP
d. Oxidación química
e. Osmosis inversa
Adaptado de (AWWA, 2012)
3.2.1 Tecnologías para el ablandamiento de agua para consumo humano
Las causas que generan dureza en agua están asociadas principalmente a la presencia de
iones de calcio y magnesio. También, se incluyen otros cationes metálicos como el hierro,
sodio, manganeso y estroncio. Estos cationes están presentes en el agua acompañados de
aniones como el bicarbonato (HCO3-), sulfato (SO4
2-), cloruro (Cl-), nitrato (NO3-) y silicato
(SiO42-). La dureza se puede clasificar de dos maneras diferentes, la primera es la dureza por
carbonatos y es causada por carbonatos y bicarbonatos de calcio, magnesio y sodio. La
segunda, es la dureza no carbonatada, causada por compuestos de cloruro y sulfato con
cationes divalentes. La dureza total es la suma de ambas fuentes (AWWA, 2012)
La clasificación de la dureza en el suministro de agua a nivel internacional se muestra en
el cuadro 3.3. A pesar que el agua dura no tiene efectos en la salud, usar agua de este tipo
incrementaría la cantidad de jabón necesaria y produciría incrustaciones en accesorios de
14
baños, utensilios de cocina, también causa incrustaciones y corrosión en calentadores de
agua, calderas y tuberías. Se considera agua dura moderada, es decir, públicamente aceptable
la que está comprendida entre los 60 y 120 mg·L-1 como CaCO3 (AWWA, 2012)
Cuadro 3.3. Clasificación de la dureza en agua para consumo humano
Clasificación mg·L-1 de CaCO3
Blanda 0–50
Moderadamente blanda 51–100
Ligeramente dura 101–150
Moderadamente dura 151–200
Dura 201–300
Muy dura >300
Por otra parte, en Costa Rica, existe el reglamento para la calidad del agua potable (Decreto
N°38924-S, 2015) y su reforma (Decreto N° 41499-S, 2019), en ellos, se establecen que se
debe considerar una línea base de calidad. Esto corresponde al análisis de los parámetros
físicos y químicos que se separan por niveles de control (Nivel primero; N1, Nivel segundo;
N3 y Nivel tercero; N3) siendo esto de aplicación para todos los sistemas de abastecimiento
del país. Para el caso de la dureza total, se considera como parámetro de un N2 en el que se
han definido sus valores de alerta y máximos en 300 y 400 miligramos por cada litro de agua.
Por lo tanto, según la clasificación del cuadro 3.3. las autoridades costarricenses permiten
suministrar aguas muy duras a los usuarios de los distintos acueductos del país y es hasta
alcanzar los 400 miligramos por litros que se plantea el escenario de tomar acciones
correctivas inmediatas.
Cuando las aguas para consumo humano alcanzan valores que establecen los límites
establecidos, es necesario hacer uso de las tecnologías disponibles, como se mencionó
previamente en el cuadro 3.2, las alternativas para el tratamiento de la dureza del agua se
pueden realizar por tratamientos como el ablandamiento con cal o el intercambio iónico, que
consiste en utilizar resinas de intercambio en forma de sodio, también, pueden ser removidos
los minerales del agua utilizando una combinación de resinas en forma de hidrógeno o
hidróxido. La nanofiltración por membranas puede remover cationes divalentes y la osmosis
inversa, que además de la dureza, puede remover otros iones presentes. En el cuadro 3.4 se
muestra una comparación entre estas alternativas de tratamiento, se resalta cuales factores y
15
aspectos deben ser tomados en consideración para decantarse por una u otra tecnología.
(AWWA, 2011)
Cuadro 3.4. Comparación entre alternativas de tratamiento para reducir la dureza en agua para
consumo humano.
Factor Aspectos por considerar
Dureza del agua
cruda
Para ablandamiento por precipitación e intercambio iónico, los costos de químicos y de disposición
de residuos incrementa directamente proporcional con la cantidad de dureza removida. En el
ablandamiento por membrana, valores altos de dureza al inicio requieren dosis altas de ácido o
antiincrustantes para prevenir la precipitación de sales de calcio y magnesio y una alta presión sería
requerida. Pero, es probable que la recuperación se rija por otros factores, como lo es el costo de la
eliminación de residuos.
Dureza sin
carbonatos
El costo de ablandamiento por precipitación incrementa cuando se debe remover dureza sin
carbonato, esto se debe a que el carbonato de sodio es más costoso que la cal. Para el intercambio
iónico o el ablandamiento por membrana, la diferencia entre dureza con o sin carbonatos no tiene
diferencia al momento de ser removida.
Turbidez del
agua cruda
El ablandamiento por precipitación es compatible con niveles relativamente altos de turbidez,
aunque la pre-sedimentación es típicamente empleada para pretratar aguas superficiales con altos
valores de turbidez. Para el caso de intercambio iónico o filtración por membrana requieren
pretratamiento para remover partículas a menos que la fuente de agua tenga valores bajos de
turbidez, como es el caso de muchas fuentes de agua subterránea, que aún puede requerir un
tratamiento previo con filtración a presión para eliminar los productos de la corrosión o los
materiales del acuífero que pasan a través de las pantallas del pozo.
Color y materia
orgánica del
agua cruda
Se remueve parcialmente la materia orgánica, especialmente la fracción que contribuye al color,
pero, altas concentraciones de materia orgánica pueden interferir con la cristalización de CaCO3 (s).
Ablandamiento con resinas de intercambio catiónico no son afectadas adversamente por el color de
la materia orgánica, pero no la remueve. La materia orgánica tiende a ensuciar las resinas de
intercambio aniónico, así como la nanofiltración y la ósmosis inversa, entonces, el pretratamiento
para remover materia orgánica es necesario cuando se usan estos materiales.
Concentración
de los sólidos
totales disueltos
Altos valores de sólidos totales disueltos hacen que el calcio y el magnesio sean ligeramente más
solubles (menos removibles) en ablandamiento por precipitación y pueden tener un impacto adverso
en ablandamiento por intercambio iónico, desde que la selectividad de resinas para iones de calcio
y magnesio decrecen tanto como los sólidos totales disueltos incrementan. A valores altos de sólitos
totales disueltos una resina de intercambio catiónico puede preferir el sodio por encima del calcio y
magnesio, fenómeno conocido como inversión de selectividad. Si el deseo es remover los sólidos
totales disueltos, el ablandamiento con cal presenta resultados modestos. Mientras que el
ablandamiento por intercambio iónico incrementa los TDS, esto porque dos iones de sodio pesan
más que el calcio o el magnesio por los cuales son intercambiados. Desmineralización de
intercambio iónico, ósmosis inversa pueden reducir los TDS a cualquier valor deseado.
16
Continuación del cuadro 3.4
Factor Aspectos por considerar
Hierro y
manganeso
Ablandamiento con cal remueve eficientemente hierro y manganeso, pero el hierro y manganeso
pueden ensuciar resinas de intercambio catiónico y nanofiltración y la ósmosis inversa a menos que
el pretratamiento sea provisto para removerlo.
Objetivos del
tratamiento
Ablandamiento por precipitación, intercambio iónico y membrana pueden agruparse como
tratamientos típicos para suministros de agua municipales. Pero solo el ablandamiento por
intercambio iónico y membrana pueden remover la dureza por completo. La remoción completa de
la dureza es deseable en algunas aplicaciones industriales. El ablandamiento con cal y ablandamiento
por membrana no incrementan la concentración de sodio, pero usando carbonato de sodio o soda
caustica en ablandamiento por precipitación incrementarían la concentración de sodio, como lo haría
el ablandamiento por intercambio iónico cuando se usa cloruro de sodio como regenerante. El
ablandamiento puede influir en la corrosividad o el potencial de incrustaciones del agua tratada, pero
independiente de cual proceso sea utilizado para ablandamiento, el agua al final debe estar
propiamente estabilizada.
Otros
constituyentes
que requieren
tratamiento
Todos estos procesos son generalmente eficientes en la remoción de cationes divalentes, sin
embargo, difieren mucho en la habilidad para remover otros contaminantes como sílice, fluoruros,
sulfatos, arsénico, cromo, precursores de subproductos de desinfección y otros compuestos orgánicos
e inorgánicos.
Velocidad de
flujo y sus
variaciones
Para pequeños sistemas (hogares, suministros de agua a entes no comunitarios (escuelas, fábricas,
edificios de oficinas, hospitales), pequeñas industrias, entre otros), el ablandamiento por intercambio
iónico es el método usual de elección, pero la nanofiltración y la ósmosis inversa son sistemas que
usualmente son usados cuando otros contaminantes también deben ser removidos. Para utilidades de
mediana a gran escala el ablandamiento con cal era rutinariamente seleccionado en el pasado, pero
hoy en día, es común para estos intereses considerar la nanofiltración e inclusive la ósmosis inversa
en casos de valores altos de TDS. Al construir nuevas instalaciones o rehabilitar las existentes.
Sistemas de intercambio iónico tienen poca dificultad para manejar flujos variables, hasta su flujo
de diseño, pero ablandamiento por precipitación y por membrana pueden ser afectados adversamente
o ser difíciles de controlar cuando el flujo de agua es altamente variable, entonces, el almacenamiento
temporal puede ser requerido si la demanda es altamente variable.
Control del
proceso y
requerimientos
operacionales
Para pequeños sistemas, especialmente aquellos que se basan en aguas subterráneas, el intercambio
iónico y ablandamiento por membrana son más fácilmente automatizables y requieren menos
atención para la operación que el ablandamiento por precipitación. Para suministros de agua
superficiales que requieren pretratamiento, las 3 opciones son ampliamente comparables con
respecto al proceso de control. Los requerimientos de entrenamiento del operador no varían
considerablemente de un proceso a otro, pero se requieren diferentes habilidades. Una entidad puede
estar inclinada a seleccionar un proceso en el que sus operadores o los operadores en el área ya estén
familiarizados con él.
Opciones para
disposición de
residuos
Ablandamiento con cal produce residuos sólidos, mientras que el intercambio iónico o
ablandamiento por membrana producen salmueras. El costo para disponer estos residuos está
influenciado por el tipo y cantidad de residuo producido, distancias de transporte para sitios
17
potenciales de disposición deben considerarse. Algunas opciones de disposición pueden no ser
ambiental o socialmente aceptables. Esfuerzos para controlar la salinidad y fomentar la reutilización
de agua, especialmente en área de poca agua, recientemente han llevado a límites en las descargas
de salmuera y en algunos casos a la prohibición de suavizadores de intercambiadores de iones
domésticos.
3.2.1.1 Ablandamiento de agua para consumo mediante formación de precipitado
El ablandamiento por precipitación remueve partículas y materia orgánica, resulta
adecuado como proceso de pretratamiento para la desmineralización por intercambio iónico
y por procesos de membrana, a su vez, es raramente utilizado posterior a tales procesos, con
excepción en ciertas aplicaciones industriales. Esta tecnología permite remover la dureza del
agua mediante la aplicación con cal, (Ca(OH)2) y carbonato de sodio (Na2CO3). (AWWA,
2012)
Para aguas subterráneas en la figura 3.1. se muestra el esquema típico que deben tener
estos sistemas. El proceso de aireación reduce las concentraciones de dióxido de carbono, lo
que reduce la dosificación de la cal y la producción de sólidos químicos residuales. Después,
el ablandamiento con cal se realiza normalmente en una etapa y posterior a este, se incluye
una etapa de recarbonización con tiempos de retención de al menos 20 minutos para asegurar
una estabilización adecuada del pH antes de la filtración. También, previo al proceso de
filtración es común que se deba agregar un antiescalante, por ejemplo, el hexametafosfato de
sodio, esto para minimizar la incrustación de los medios filtrantes por carbonato de calcio.
(AWWA, 2012)
Figura 3.1. Esquema de tratamiento para ablandamiento de agua mediante cal.
Adaptado de (AWWA, 2012)
18
Para el ablandamiento por precipitación se deben determinar los tipos de dureza presentes
en el agua, esto porque si se conocen estas categorías podrían determinarse los tipos de
ablandadores recomendados según el caso. De esta manera, se tiene la dureza del carbonato
de calcio (CCH, siglas en inglés), dureza del carbonato de magnesio (MCH, siglas en inglés),
dureza del calcio sin carbonato (CNH, siglas en inglés) y la dureza del magnesio sin
carbonato (MNH, siglas en inglés) (AWWA, 2011)
También, se tienen que establecer las ecuaciones de los diferentes compuestos químicos
que gobiernan el tema del ablandamiento del agua. Y a su vez, determinar la capacidad de
ablandamiento por precipitación mediante estimaciones como los cocientes de reacción,
relación de saturación, índice de saturación, la energía libre de reacción, el índice de
saturación de Langelier (que aplica a los casos específicos de precipitación de CaCO3(s) que
permiten deducir si existe el potencial para remover el contaminante mediante precipitación
(AWWA, 2011)
3.2.2 Tecnologías para remover sulfatos de agua para consumo humano
Tal y como se observó en el cuadro 3.2. el tema del tratamiento de compuestos inorgánicos
se agrupa por tecnologías como el intercambio iónico, tratamientos biológicos, procesos de
adsorción, así como por oxidación química y ósmosis inversa. Por su parte, Reinsel (2015)
resalta cuales son las tecnologías existentes que permiten remover el sulfato del agua. Esto
mediante procesos químicos, biológicos y físicos como se muestra en el cuadro 3.5.
Cuadro 3.5. Tipos de Tratamientos
Tipo de Tratamiento Método
Químico Precipitación de la Cal
Precipitación de Bario
Biológico
Reactores de lecho fluidizado
Tratamientos Pasivo
Tratamientos In Situ
Físico
Procesos de intercambio de iones
Nanofiltración
Ósmosis Inversa
19
El intercambio iónico como tecnología, tiene la ventaja que puede operarse según la demanda
del recurso hídrico para un determinado momento. Además, ante cambios en el flujo la
afectación es relativamente baja si se compara con otras tecnologías, esto porque los tiempos
de contacto requeridos son generalmente cortos y porque la concentración del contaminante
en el efluente esencialmente puede alcanzar valores de cero. También, existen en el mercado
gran cantidad de resinas para hacer frente a un contaminante de interés en específico. Y por
último, el proceso de regeneración de la resina es selectivo y en algunos casos el regenerante
puede ser reusado sin tener que remover el contaminante. (AWWA, 2011)
3.2.2.1 Reducción de la concentración de sulfato por intercambio iónico
Mediante el método que emplea resinas de intercambio aniónico usadas como adsorbentes
para la purificación de agua para consumo humano (ver figura 3.2) es posible la eliminación
de algunos compuestos inorgánicos presentes, entre ellos los sulfatos, nitratos y fluoruros. Es
importante señalar que la eficiencia de remoción es dependiente de la competencia aniónica
para las zonas de intercambio. Investigaciones realizadas utilizando estos materiales han
mostrado capacidad de remoción de iones en concentraciones elevadas que generan
incumplimientos con las normativas existentes, logrando en algunos casos, eficiencias de
remoción con valores en rangos del 66,5 al 92% (Wang, Li, Wang, & Shuang, 2012).
Figura 3.2 Esquema de una columna de intercambio iónico y su ciclo de servicio. Adaptado de (AWWA, 2011)
20
3.2.2.2 Modelación de curvas de ruptura
Las curvas de ruptura (BTC, por sus siglas en inglés) muestran el comportamiento de
carga de iones de una solución en un material que se encuentre fijo, usualmente es expresado
en términos de la concentración de la sustancia adsorbida o concentración normalizada
definida como la relación de la concentración de la sustancia de interés en el efluente con
respecto a la concentración en la entrada (C·C0-1) como función del tiempo o el volumen del
efluente para una altura del filtro dada. (García, Solache, Alarcón, & Martínez, 2014)
Hoy en día, las investigaciones intentan describir las curvas de ruptura experimentales
haciendo uso de modelos matemáticos. La mayoría de estos modelos requieren la
determinación de isotermas y parámetros de transferencia de masa, esto requiere
experimentación adicional y una curva de ajuste no lineal. La complejidad matemática y/o la
necesidad de conocer muchos parámetros a partir de diferentes experimentos hacen que el
uso de estos modelos sea bastante inconveniente para usos prácticos. Además, en algunos
casos, las soluciones analíticas de los modelos basados en ecuaciones diferenciales para los
diferentes mecanismos según la tasa propuesta no están disponibles. Por estas razones, se han
desarrollado varios modelos matemáticos empíricos para predecir el comportamiento
dinámico de la columna (Trgo, Vukojevic, & Peric, 2011) El presente estudio aplica los
modelos de Thomas, BDST (Bohart-Adams), Yoon-Nelson y Wolborska descritos por Trgo,
Vukojevic, & Peric (2011) que se detallan en el cuadro 3.6
Cuadro 3.6. Modelos de ajuste de curvas de ruptura
Modelo Ecuación1 Descripción del modelo
Thomas ln (
C0
C-1) =
kT ∙ q ∙ m
Q –
kT∙C0
Q∙V
(ec. 3.1)
Se utiliza para diseñar la máxima capacidad de adsorción de un
adsorbente, se asume que predomina la resistencia a la difusión de la
película, y no se considera la dispersión axial
BDST
(Bohart-
Adams)
𝑙𝑛 (𝐶
𝐶0) = kBA∙C0∙t - kBA∙q
BA∙H
ν
(ec. 3.2)
Propone que la tasa de adsorción es proporcional a la capacidad
residual del adsorbente y a la concentración de las especies sorbidas,
principalmente determinadas por la adsorción en los sitios de
superficie adsorbente y es usado para la descripción de la parte inicial
de la curva de ruptura. Este modelo propone una relación entre la
profundidad y el tiempo de ruptura
21
Continuación del cuadro 3.6
Modelo Ecuación1 Descripción del modelo
Yoon-
Nelson
𝑙𝑛 (C
C0- C) = kYN ∙ (t- τ)
(ec 3.3)
Modelo relativamente simpe, no requiere datos relativos a las
características del compuesto adsorbido, del adsorbente o las
propiedades físicas del lecho.
Wolborska 𝑙𝑛 (
C
𝐶0
) = β
a∙C0
q∙t –
βa
∙H
ν
(ec 3.4)
Este modelo se basa en la ecuación general de transferencia de masa
para el mecanismo de difusión para un rango de baja concentración
de curvas de ruptura
1 C = concentración (mmol·L-1), C0= concentración inicial (mmol·L-1), kt = Constante de Thomas [L·(mmol·h)-1], q=
capacidad de remoción (mmol·g-1), m= masa de resina (g), Q= flujo (L·h-1), V= volumen del efluente (L), kBA= tasa
constante [L·(mmol·h)-1], t= tiempo de servicio (h), qBA= capacidad de remoción (mmol·g-1), H= altura del material
de intercambio (m), ν= velocidad lineal del flujo (m·h-1) , kYN= tasa constante (h-1), τ= tiempo (h) cuando C·C0-1 =0,5,
βa= coeficiente cinético de la transferencia de masa externa (h-1) Adaptado de (Trgo, Vukojevic, & Peric, 2011)
3.3 SISTEMA DE TRATAMIENTO PARA POTABILIZACIÓN DE AGUA
3.3.1 Generalidades
En situaciones en las que la implementación de sistemas para la potabilización del agua
sea requerida, la AWWA (2012) recomienda tomar en cuenta los siguientes aspectos más
allá del fin principal, que es lograr adecuar un tratamiento y así obtener un producto con los
requerimientos que demandan las normativas vigentes
1. Costo de construcción
2. Costos anuales de operación y mantenimiento
3. Área del sitio requerida
4. Complejidad de operación (capacidad requerida del personal operativo y monitoreo
de laboratorio)
5. Riesgos operacionales (las causas más comunes, si las hay, de falla del tratamiento)
6. Flexibilidad de la disposición de la planta para cambios futuros
7. Opciones de eliminación de residuos
8. Consideraciones de sostenibilidad
Se deben atender los problemas técnicos, ambientales, institucionales, financieros,
legales, administrativos, de adquisición de tierras, derechos de agua y de operación y
22
mantenimiento que permitan el desarrollo y la implementación de un plan estratégico de
gestión del agua (AWWA & ASCE, 2012)
Específicamente en términos de diseño de una planta de tratamiento de agua, es importante
considerar que deben delimitarse las pautas generales para acciones futuras concernientes
con el tratamiento de agua. También, se tienen que llevar a cabo el desarrollo de posibles
alternativas de tratamiento para una evaluación adicional, esto debido a que la decisión final
sobre el método puede ser obvia porque los datos de antecedentes de experiencias previas
pueden ser contundentes, pero no la regla, de ahí la necesidad (AWWA & ASCE, 2012)
El ente a cargo del sistema de distribución del recurso hídrico no deberá ser conducido a
una rápida aceptación de un tipo de tratamiento que eventualmente podría resultar muy
costoso. Cuando exista información que es susceptible de ser cuestionada, resulta
conveniente retrasar cualquier decisión de una eventual puesta en marcha hasta que se tenga
información de fondo más significativa. Por último, se deberá hacer una consideración
especial en las potenciales limitaciones, por ejemplo, la ubicación del sitio y los impactos
ambientales, así se podrá determinar qué alternativas se deberán eliminar y cuales
dificultades se podrían encontrar en otras alternativas (AWWA & ASCE, 2012)
Se debe poner atención especial en las principales aspectos que influyen y controlan el
desarrollo de opciones de tratamientos de agua como lo son los reglamentos de agua potable
vigentes, las opciones y limitaciones en relación a la gestión de los residuos, las ventajas y
desventajas que se relacionan con los procesos, en temas de espacio, compatibilidad,
flexibilidad para abordar cambios futuros en la calidad del agua de las fuentes debido a
factores como lo puede ser el cambio climático, costos de capital, operación y
mantenimiento, factores que afectan el diseño sostenible y el funcionamiento de los procesos
de tratamiento, incluidos los productos químicos, la necesidad del ente administrador así
como sus usuarios. (AWWA & ASCE, 2012)
En Costa Rica, el ICAA establece que para el diseño de sistemas de potabilización de agua
para abastecimiento humano se debe aplicar la norma técnica para diseño y construcción de
sistemas de abastecimiento de agua potable, de saneamiento y pluvial. Esta norma, establece
los requisitos técnicos generales aplicables a los sistemas de abastecimiento de agua potable,
de recolección, tratamiento y disposición de aguas residuales de tipo ordinario. Es el marco
técnico, normativo, conceptual y metodológico, orientador del diseño y de la construcción de
23
proyectos de iniciativa pública o privada (ICAA, 2017) Con respecto a los requisitos técnicos
generales para sistemas de abastecimiento de agua potable, según la normativa del ICAA se
enumeran los aspectos que se deben considerar:
1. Población de diseño 9. Capacidad del sistema
2. Periodos de diseño 10. Velocidad
3. Dotaciones 11. Presiones
4. Factores de demanda máxima 12. Dimensionamiento de tuberías
5. Caudal de incendio y ubicación del hidrante 13. Diámetro mínimo
6. Caudal coincidente 14. Prevista
7. Carga hidráulica 15. Requisitos de materiales y de construcción
8. Caudal de producción 16. Potabilización del agua
El ICAA establece que aquellos sistemas de abastecimiento que cuenten con fuentes
superficiales o subterráneas propias deben cumplir con la normativa nacional que aplica para
la calidad del agua potable y también con relación a sus procesos de tratamiento, las cuales
son emitidas por el Ministerio de Salud y por parte del ICAA según corresponda. Todo esto
es independiente del proceso de tratamiento que sea empleado (ICAA, 2017) En el caso de
tratarse de un acueducto existente con problemas en la calidad del recurso hídrico se plantea
un escenario en el que se requiere la implementación de un sistema para la potabilización del
agua. Por ende, atendiendo la norma del ICAA, en el contexto de la presente investigación
se requiere hacer un análisis de la población que debe atender la planta, incluyendo la
capacidad de almacenamiento para satisfacer las necesidades de los usuarios.
3.3.2 Implementación de unidades de intercambio iónico
La principal información experimental requerida para los cálculos es una curva de avance de
una columna de prueba, ya sea de laboratorio o de escala piloto, que se ha operado al mismo
caudal de líquido en términos de volúmenes de lecho por unidad de tiempo, como la columna
de diseño. Dado que los tiempos de contacto son los mismos, se supone que el volumen de
líquido tratado por unidad de masa de absorbente, para un avance determinado en la columna
de prueba es el mismo que para la columna de diseño. Antes de que se pueda realizar una
prueba de avance, es necesario seleccionar un caudal de líquido satisfactorio, en volúmenes
24
de lecho por unidad de tiempo. Esto se puede estimar a partir de cálculos utilizando el
volumen de avance requerido, la concentración de soluto, la concentración máxima de fase
sólida y otros datos pertinentes. (Crittenden, Trussel, & Crittenden, 2012)
De acuerdo con la (AWWA, 2011) para el diseño de tratamientos mediante resinas debe
tomarse en consideración que la capacidad de intercambio iónico se mide en miliequivalentes
por mililitro (meq·mL-1), de esta manera, la capacidad de volumen húmedo de 1 meq·mL-1
equivale a 6,023x1020 sitios de intercambio por cada mililitro de resina húmeda, incluyendo
espacios vacíos. También, para investigación científica, el peso seco meq/g es más preciso y
el más usado, además, la capacidad operativa es la medida del rendimiento actual de una
resina, esta depende de la composición del agua de alimentación, la tasa de servicio y el grado
de regeneración.
4. MATERIALES Y MÉTODOS
4.1 LUGAR DE ESTUDIO
En presente estudio se localiza en el distrito de Santa Cruz, ubicado en el cantón de
Turrialba, Provincia de Cartago, Costa Rica, se encuentra a una altura de 1475 msnm, con un
área de 127,4 km2 y una población de 3563 habitantes según datos del Instituto Nacional de
Estadísticas y Censos (INEC). Comprende los poblados de: Bajos de Bonilla, Bolsón (parte)
Bonilla, Buenos Aires, Calle Vargas, Carmen (parte), Esperanza, Guayabo Arriba, Pastora,
Picada, Raicero, Reunión, San Antonio, San Diego, Torito (parte), Volcán. No obstante, el
presente estudio no comprende la totalidad de los poblados descritos anteriormente, debido
a que por motivos históricos y geográficos la prestación del servicio de acueducto abarca las
comunidades del centro del distrito de Santa Cruz, El Carmen, Pastora (no abarca su
totalidad), además de los pueblos de San Rafael y Verbena Norte, comunidades que
políticamente pertenecen al distrito vecino de Santa Rosa.
En cuanto a los entes operadores del acueducto en la zona, cabe resaltar la presencia de
un comité en las Virtudes de Santa Cruz, además de cuatro ASADAs: La Pastora, Calle
Vargas, San Antonio y Santa Cruz. Siendo este último, el de interés para este estudio. En la
figura 4.1. se puede observar el sector del distrito de Santa Cruz en el que se encuentran las
25
nacientes que el acueducto Rural de Santa Cruz de Turrialba capta el recurso hídrico que se
distribuye a sus abonados.
Según datos aportados por la ASADA durante el mes de abril del 2018, se cuenta con un
total de 906 abonados, un número de habitantes de 4000. Como se observa, este dato difiere
al reportado por el INEC, debido a que, no cubre la totalidad del distrito de Santa Cruz y, por
otro lado, se presta el servicio a la comunidad de San Rafael y Verbena Norte, pertenecientes
al distrito de Santa Rosa. Dispone de 4 nacientes (“Caragra”, “El Cedro”, “La Quebrada” y
“El Tirrá”) Cuenta con 4 tanques a nivel y 5 semienterrados, de estas 9 estructuras, 6
corresponden a estructuras de concreto y 3 son de plástico. Como sistema de cloración se
utiliza la tecnología de pastillas de hipoclorito de calcio.
Figura 4.1. Ubicación de las nacientes del Acueducto Rural de Santa Cruz.
26
4.2 CARACTERIZACIÓN DEL RECURSO HÍDRICO
4.2.1 Oferta del recurso hídrico disponible
Para determinar el caudal que produce cada naciente de las que dispone la ASADA Santa
Cruz para el abastecimiento de la población se utilizaron los registros de aforos que la
ASADA realiza desde el año 2014. También, de manera quincenal, específicamente en los
viernes para el periodo del 11 de agosto al 12 de diciembre de 2017 y durante las horas de la
mañana mediante este proyecto, se realizó el aforo de las captaciones, esto en compañía de
los fontaneros de la ASADA. Para ello se utilizó el método volumétrico, en el cual, se utilizó
un recipiente con una capacidad o volumen de agua definido previamente en el Laboratorio
de Aguas Potables de la Carrera de Ingeniería Ambiental del Instituto Tecnológico de Costa
Rica y se cumplió con el protocolo de este tipo de aforo. En el cuadro 4.1. se describen las
condiciones de infraestructura del sitio en el que se realizan los aforos, mientras que en el
apéndice 1 se muestra el material fotográfico que muestra las condiciones descritas a
continuación.
Cuadro 4.1. Descripción de la zona de aforo para cada naciente que abastece al Acueducto Rural de
Santa Cruz de Turrialba.
Captación Descripción del sitio donde se afora
Naciente
Caragra
La estructura de captación cuenta con 2 salidas de tubería de PVC 4” al tanque de reunión
y de 3” para aforar. Se procede a remover el tapón de rosca de la tubería para realizar el
aforo, se cierra mediante una válvula de bola la tubería que conduce el agua al tanque de
reunión y se da un lapso de 2 a 3 minutos para que se normalice el caudal, sin embargo,
no se cuenta con las condiciones óptimas para realizar el aforo, debido a factores como
pendiente, obstáculos, inestabilidad del suelo (se realiza sobre rocas que están en la
quebrada)
Naciente
El Cedro
La estructura de captación cuenta con 2 salidas de tubería de PVC 4”. Una de estas se
utiliza para conducir el agua al tanque de reunión, la otra, para realizar aforos. Se abre
el paso de agua a la tubería de aforo, por otra parte, se impide el paso al tanque de reunión
mediante válvula de bola. Se da un tiempo de 2 a 3 minutos para normalizar el caudal.
Al igual que en la naciente Caragra, no se cuenta con las condiciones óptimas para
realizar el aforo, debido a factores como pendiente, obstáculos, inestabilidad del suelo
(se realiza sobre rocas que están en la quebrada)
27
Continuación de cuadro 4.1.
Captación Descripción del sitio donde se afora
Naciente
La Quebrada
La estructura de captación cuenta con una salida de tubería de PVC 4 “En una sección
del trayecto entre la estructura y el tanque de reunión existe una válvula de bola y previo
a esta, una Tee de PVC 4”. Se retira el tapón que posee la Tee y se procede al cierre de
la válvula, después de un tiempo de 2 a 3 minutos para normalizar el caudal se realiza el
aforo.
Naciente
El Tirrá
La estructura de captación cuenta con 2 salidas de tubería de PVC 4”. Ambas cuentan
con válvula de compuerta. Se habilita el paso de agua por la tubería que permite hacer
el aforo y se procede a cerrar la línea que conduce al tanque de reunión. Por un lapso de
2 a 3 minutos se da la normalización del caudal y se procede a realizar el aforo. No se
contó con las mejores condiciones para realizar el aforo, debido a que la válvula que
conduce al tanque de reunión se encuentra dañada, esto impide un cierre efectivo del
paso de agua al momento de tomar el aforo.
4.2.2 Análisis de calidad del agua captada
Con el propósito de evaluar la calidad del agua utilizada por el acueducto para abastecer
a sus abonados, se emplearon los registros de análisis realizados por la ASADA, se registró
la información disponible desde el año 2009. Adicional a estos registros, se realizó un total
de 10 análisis fisicoquímicos y microbiológicos por parte de este proyecto. A partir de los
parámetros de los niveles uno, dos y tres del Reglamento para la Calidad del Agua Potable
de Costa Rica (decretos N° 38924-S y N°41499-S) durante un periodo de cuatro meses, se
tomaron muestras de agua en las captaciones para realizar la determinación de pH,
temperatura, turbiedad, color aparente, conductividad, color, olor, sabor, coliformes fecales,
Escherichia Coli, calcio, magnesio, dureza total, sulfato y potasio. Los análisis se llevaron a
cabo en el Centro de Investigación y de Servicios Químicos y Microbiológicos (CEQIATEC)
del Instituto Tecnológico de Costa Rica. En el cuadro 4.2. se presentan los métodos estándar
llevados a cabo por el laboratorio para los ensayos respectivos (APHA, AWWA & WEF,
2012)
28
Cuadro 4.2. Métodos estándar utilizados por el CEQIATEC para la medición de los parámetros de
calidad de agua de las muestras tomadas en las captaciones del acueducto.
Parámetro Método
Color aparente 2120-C
Turbiedad 2130-B
pH 4500 H+ - B
Conductividad 2510-B
Cloro residual libre 4500 Cl-G
Cloro residual combinado 4500 Cl-G
Sabor 2160
Olor 2150
Coliformes fecales 9221 E
Escherichia coli 9221 F
Calcio 3111-B
Magnesio
Sulfato 4110-B
Dureza Total 2340-B
Potasio 3500 K-B
Además, en los muestreos, se determinó en campo el pH y la temperatura al momento en
que se efectuaban los aforos. Se utilizó un pH metro marca Hanna Instruments, modelo HI
98 128. Todas las muestras fueron transportadas hasta el laboratorio en hielera plástica a
cerca de 4°C.
4.2.3 Análisis de la demanda actual de agua potable
Para estimar la demanda actual de agua potable de la población que es abastecida por el
acueducto se solicitó un reporte de los registros de consumo disponibles en el sistema
utilizado por parte de la ASADA. Este sistema realiza la clasificación de los abonados en
“DOMIPRE” para los usuarios de uso domiciliar o “EMPREGO” para el caso de los usuarios
de tipo comercial, empresarial, industrial e institucional. De esta manera se cuenta con la
información histórica o mensual de consumo por abonado, cantidad de abonados, total de
abonados activos e inactivos, sectorización de las comunidades abastecidas, entre otros.
Debido a que la implementación de la micro medición a los abonados de la ASADA es un
proyecto que se inició en el 2016, actualmente se han instalado alrededor de un 21% de
29
equipos para medir consumo de agua por abonado. Por tal motivo, únicamente se consideran
los registros de consumo del mes de setiembre de 2017 a abril de 2018. Se estimó el consumo
promedio mensual por tipo de abonado para el mes de abril de 2018 que es el mes con el que
se cuenta con la mayor cantidad de usuarios con equipo de micro medición instalados. Con
la información obtenida, se hizo una estimación del consumo por habitante, utilizando datos
de ocupación de personas por vivienda según datos del INEC.
4.2.4 Análisis de la demanda futura de agua potable
Considerando la información demográfica registrada por el INEC para los censos de los
años 1973, 1984, 2000 y 2011 se realizó la proyección de la población de la población que
eventualmente será atendida por el Acueducto Rural de Santa Cruz de Turrialba. Lo primero,
consistió en estimar la tasa de crecimiento poblacional aritmética, geométrica y logarítmica.
De igual manera, el cálculo de la proyección de la población mediante el método aritmético,
geométrico y logarítmico.
La dotación neta de acuerdo con (Lozano-Rivas & Lozano-Bravo, 2015) corresponde con
la cantidad de agua potable que es requerida por un habitante para satisfacer sus necesidades
básicas en un periodo de tiempo de un día, esto sin considerar las pérdidas que puedan ocurrir
a lo largo de todo el sistema de tratamiento. Para el caso de esta investigación, este dato fue
calculado atendiendo las recomendaciones de este autor que sugiere el uso de registros
históricos proporcionados por sistemas de micro medición. Sin embargo, esta comunidad no
cuenta con este sistema para la totalidad de sus abonados, por ende, los cálculos son basados
únicamente con los registros disponibles. Tomando como punto de partida la descripción
anterior, se procedió de la siguiente manera:
Dotación bruta: corresponde a la dotación neta incluyendo las pérdidas del recurso hídrico
que puedan presentarse en el sistema de abastecimiento, el cálculo se realiza con la ecuación
4.1 (Lozano-Rivas & Lozano-Bravo, 2015)
𝐷𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 =𝐷𝑛𝑒𝑡𝑎
(1−%𝑃) (ec 4.1)
30
Donde,
Dbruta Dotación bruta [L·(hab · día)-1]
Dneta Dotación neta [L·(hab · día)-1]
%P Pérdidas máximas admisibles, no deben superar el 25%
Caudal medio diario (Qmd): Es el consumo promedio diario que se estima para la población
proyectada al final del periodo de diseño, se calcula con la expresión 4.2 (Lozano-Rivas &
Lozano-Bravo, 2015)
𝑄𝑚𝑑 =𝑃∙𝐷𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎
86400 (ec 4.2)
Donde,
Qmd Caudal medio diario (L· s-1)
P Población proyectada al final del periodo de diseño
Dbruta Dotación bruta [L·(hab · día)-1]
Caudal máximo diario (QMD): Es el consumo máximo registrado en 24 horas durante un año
cualquiera, se calcula con la expresión 4.3 (Lozano-Rivas & Lozano-Bravo, 2015)
𝑄𝑀𝐷 = 𝑄𝑚𝑑 ∙ 𝑘1 (ec. 4.3)
Donde,
QMD Caudal máximo diario (L· s-1)
Qmd Caudal medio diario (L· s-1)
k1 Coeficiente de consumo máximo diario, se toma el valor de 1,2,
según recomendación del ICAA (2017)
Caudal máximo horario (QMH): Es el consumo máximo registrado durante una hora en un
año cualquiera, se calcula con la ecuación 4.4 (Lozano-Rivas & Lozano-Bravo, 2015)
31
𝑄𝑀𝐻 = 𝑄𝑀𝐷 ∙ 𝑘2 (ec. 4.4)
Donde,
QMH Caudal máximo horario (L· s-1)
QMD Caudal máximo diario (L· s-1)
k2 Coeficiente de consumo máximo horario, se tomó un valor de
1,6. Según (Lozano-Rivas & Lozano-Bravo, 2015) toma
valores en un rango de 1,2 y 1,8 según recomendación del
ICAA (2017) el valor debe ser de 1,8.
4.3 SELECCIÓN DE TECNOLOGÍA DE TRATAMIENTO
A partir de la revisión de literatura y según los datos observados a partir de la
caracterización del recurso hídrico. Se seleccionaron las tecnologías de tratamiento
pertinentes para la reducción de calcio, magnesio y sulfato, especies iónicas presentes en
altas concentraciones. Por ende, esta sección del capítulo describe como se desarrolló la fase
experimental para evaluar a escala de laboratorio las tecnologías elegidas.
4.3.1 Caracterización del agua para fase experimental
La fase experimental de la presente investigación se realizó con una muestra de agua
tomada el 27 de abril del 2018 y comprende la mezcla en proporciones de los caudales
generados por las nacientes Caragra y La Quebrada. A esta agua se le realizó una
caracterización de parámetros físicos y químicos de interés en el laboratorio CEQIATEC tal
y como se muestra en el cuadro 4.3
32
Cuadro 4.3. Resultados de la caracterización del recurso hídrico de las nacientes Caragra y La
Quebrada.
Parámetro Unidades Resultado
Nombre Símbolo
Potencial de hidrógeno pH - 6
Concentración iones hidrógeno H+ mol/L 0,000001
Temperatura T °C 25
Alcalinidad CaCO3
mg/L
168,25
Calcio Ca2+ 81
Magnesio Mg2+ 63
Dureza Total CaCO3 462
Sodio Na+ 45,5
Potasio K+ 14
Sulfato SO42- 344
Cloruro Cl- 53
4.3.2 Ablandamiento del agua por precipitación
4.3.2.1 Caracterización de la cal
Con el propósito de observar el comportamiento de esta tecnología a escala de laboratorio
se inició con la cuantificación de la cantidad de hidróxido de calcio (Ca(OH)2) disponible en
una muestra elegida al azar de cal comercial, mediante el siguiente procedimiento:
Se pesaron tres muestras de aproximadamente 0,2000 g de cal comercial en balanza
analítica marca OHAUS, las muestras fueron disueltas en volúmenes de
aproximadamente 50 mL de agua desionizada. Estas muestras fueron agitadas por 30
minutos a 30 rpm.
Posteriormente fueron filtradas utilizando papel filtro marca Sartorius de 110 mm. La
disolución que se obtuvo a partir de la filtración se dispuso en viales para examinar la
concentración de calcio mediante adsorción atómica, procedimiento 3111-B.
Se completó el trasvase de cualquier residuo que permaneciera en el recipiente utilizando
agua desionizada, esto para obtener en el filtro la totalidad del material no disuelto que
pudiera estar presente.
33
Los filtros fueron colocados en estufa marca THELCO, modelo 130, esto por dos horas
y treinta minutos a una temperatura de 103°C.
Transcurrido este tiempo, se retiraron de la estufa y se colocaron en un desecador por
espacio de 30 minutos hasta alcanzar la temperatura ambiente, se midió la masa de las
muestras, se colocaron nuevamente las muestras en el desecador y transcurridos otros 30
minutos (1 hora de haber sido retiradas de la estufa) se midió nuevamente la masa de los
filtros con los residuos. Además de este secado, se incluyó uno adicional utilizando una
estufa de secado de vacío por un tiempo de 60 horas aproximadamente. Posterior a este
tiempo se colocaron las muestras en desecador y se midió la masa del papel filtro y el
residuo, los resultados se muestran en el cuadro 4.4. en el que la masa del residuo se
realizó considerando el valor de la masa del filtro medida a las 60 horas.
Cuadro 4.4. Resultados de las mediciones de masa de cal comercial.
Número de
Muestra
Masa
inicial
cal (g)
Masa de filtro y filtro con residuos (g) Masa de
residuo en
filtro (g)
Masa en
disolución(g) Filtro
seco 0,5 horas 1 horas 60 horas
1 0.2001 0.2000 0.3307 0.3350 0.3341 0.1341 0.0660
2 0.2008 0.1990 0.3361 0.3363 0.3352 0.1362 0.0646
3 0.2020 0.2050 0.3479 0.3489 0.3475 0.1425 0.0595
Promedio 0.2010 0.2013 0.3382 0.3401 0.3389 0.1376 0.0634
desv. Est 0.0010 0.0032 0.0088 0.0077 0.0074 0.0044 0.0034
4.3.2.2 Prueba de demanda de cloro
El 02 de mayo del 2018 se realizó la prueba de demanda de cloro en el Laboratorio de
Aire y Agua Potable de la Carrera de Ingeniería Ambiental del Tecnológico de Costa Rica,
para determinar la dosis óptima de cloro que se aplica al agua que se abastece a la población.
Se realizó un muestreo de la disolución de cloro aplicada por el acueducto, esto con la
intención de conocer la concentración que actualmente se añade al sistema. La muestra fue
recolectada por el investigador, fue almacenada en botella plástica y trasladada hasta las
instalaciones de la universidad en hielera plástica con hielo, evitando el contacto de la
34
muestra con la luz solar para no favorecer reacciones secundarias del cloro. Al tratarse de
una disolución concentrada, se preparó una disolución 1/50 y se aforó en un balón de 100
mL, se midió la concentración de cloro total de la disolución preparada con un equipo marca
Thermo Scientific, modelo ORION AQ3070 que permite medir el valor de cloro total y cloro
residual libre. Como resultado se obtuvo un valor de 1,12 mg·L-1 y, por ende, se determinó
que el valor de la concentración de la disolución aplicada en el sistema de cloración de la
ASADA fue de 56 mg·L-1. Para la elaboración de la curva de demanda de cloro, en el cuadro
4.5. se observan los parámetros obtenidos
Cuadro 4.5. Cálculo de la concentración inicial de hipoclorito de calcio para preparar la curva de
demanda de cloro.
Número de
muestra
Solución de Hipoclorito de Calcio
estándar
Muestras preparadas para curva de
demanda de cloro
Volumen alícuota
(mL)
Concentración
(mg·L-1)
Volumen (mL) Concentración
(mg·L-1)
1 0,3 56,00 50,3 0,33
2 0,6 56,00 50,6 0,66
3 0,9 56,00 50,9 0,99
4 1,2 56,00 51,2 1,31
5 1,5 56,00 51,5 1,63
6 1,8 56,00 51,8 1,95
7 2,1 56,00 52,1 2,26
8 2,4 56,00 52,4 2,56
9 2,7 56,00 52,7 2,87
10 3,0 56,00 53,0 3,17
Testigo 3,0 56,00 53,0 3,17
Con esta información, se dio un tiempo de contacto de cloro de 30 minutos para cada muestra.
Posterior a esto, se realizó la lectura del cloro residual total y el cloro residual libre.
35
4.3.2.3 Ensayo de ablandamiento por precipitación
A partir de esta información, se realizaron 4 tratamientos mediante prueba de jarras para
determinar los remanentes de Dureza Total (Calcio y Magnesio), Ion Sulfato (SO42-), tal y
como se muestra en el cuadro 4.6.
Cuadro 4.6. Tratamientos realizados
Tratamiento Descripción
1
2
3
4
Se inicia con 3 tratamientos, a estos se les añadió aproximadamente 800 mL de agua cruda.
Para el primer tratamiento fue añadida una dosis de hipoclorito de calcio hasta alcanzar
aproximadamente una concentración de cloro de 1,0 ppm. Al segundo tratamiento se le
añadió una dosis de 2.21 g de cal, al tercer tratamiento se añadió 2.24 g de cal. A los 3
tratamientos se les aplicó durante un minuto una agitación rápida a 100 rpm
aproximadamente. Seguidamente, se midió el pH a cada uno de estos tratamientos. Los
resultados se muestran en el cuadro 4.7.
Cuadro 4.7. Datos de pH y temperatura para los tratamientos posterior a agitación rápida
Tratamiento pH Temperatura (°C)
1 6,79 18,4
2 11,88 18,4
3 11,14 18,6
Agua cruda + hipoclorito de calcio Análisis DT y SO42-
Agua cruda + cal comercial Sedimentación Análisis DT y SO42-
Agua cruda + cal comercial
SedimentaciónHipoclorito de
calcioAnálisis DT y SO4
2-
Fracción de agua de tratamiento 2
Hipoclorito de calcio Análisis DT y SO42-
36
Se inició el periodo de agitación lenta, el cual se llevó a cabo por espacio de 25 minutos.
Al finalizar este periodo, se procedió a dar un tiempo de sedimentación por 30 minutos. Al
finalizar este periodo se tomó una fracción de cada uno de los sobrenadantes de los
tratamientos. Este volumen se utilizó directamente en el caso del tratamiento 1 y 2 para
realizar la medición de dureza total y sulfatos. El volumen de los sobrenadantes de los
tratamientos 2 y 3 se utilizó a su vez para añadir la dosis de hipoclorito de calcio que
permitiera una concentración de aproximadamente 1,0 ppm en la solución preparada a partir
de 200 mL del agua que se obtuvo previamente. Se midió el cloro total y libre del primer
tratamiento cuando se dio el tiempo de contacto de 30 minutos. Se obtuvo que el valor de
cloro total fue de 0,84 mg·L-1 y el cloro libre de 0,75 mg·L-1.
Debido a que el tratamiento 2 y 3 se prepararon de la misma forma, se realizó un cuarto
tratamiento. Este se utilizó considerando una fracción del volumen del tratamiento 2.
Después del periodo de agitación rápida del agua que previamente se había tratado con cal y
a la que se añadió cloro hasta alcanzar 1,0 ppm, se midió el pH de ambos tratamientos y se
obtuvo que para el tratamiento 3 el pH fue de 11,60 y la temperatura de 21,9 °C en el
tratamiento 4 el pH fue de 10,54 y la temperatura de 22,0 °C.
4.3.3 Montaje de unidad de intercambio iónico para remoción de sulfato
4.3.3.1 Elección de la resina
Para elegir cuál de las resinas comercialmente disponibles permitiría ser utilizada como
alternativa viable se siguió la siguiente metodología
1. Se investigó cuáles de las resinas son utilizadas para remover aniones.
2. A partir de ello se comprobó su uso/efectividad en el tratamiento de aguas
contaminadas.
3. Se elaboró una lista de los posibles productos.
4. Se evaluó su capacidad de remoción de contaminante y el valor comercial.
5. Se seleccionó la resina según los criterios del punto 4.
37
Para este tipo de tecnología, las resinas con grupos aminos interaccionan
mayoritariamente con los iones sulfato. Esto es considerado como un criterio importante para
su selección. El cuadro 4.8. muestra los detalles de la resina seleccionada para ser evaluada
experimentalmente.
Cuadro 4.8. Características de la resina seleccionada.
Propiedades Descripción
Nombre comercial Amberlite®IRA910 - forma de cloruro
Temperatura máx. (°C) 40-77
Humedad (%) 54 – 61
Pérdida ~55 en el secado
Matriz estireno-divinilbenceno (macrorreticular)
Grupo activo Dimetiletanolamina
Tamaño de partícula 530 – 800 µm
pH operativo 0 – 14
Capacidad operativa Superior o igual a 1,0 meq·mL-1 por volumen de filtro humedecido
4.3.3.2 Ensayo de curva de ruptura
4.3.3.2.1 Cálculo del volumen de agua a tratar
Se realizó una aproximación de las concentraciones de la fase de resina en el equilibrio de
intercambio iónico por multicomponentes, según la metodología de Crittenden, Trussel, &
Crittenden (2012). Esto debido a que en el agua existen interacciones y se da una competencia
por los sitios de intercambio de la resina en el equilibrio. Por ello, fue necesario estimar la
capacidad de la resina y la concentración de los iones intercambiables en la solución, esto
para aproximar los valores de volumen de agua a tratar, así como el volumen de resina
requerida para el ensayo, esto se realizó mediante la ecuación 4.5
𝑞𝑖 =𝑞𝑇∙𝛼𝑝
𝑖 𝐶𝑖
∑ (𝛼𝑝𝑘∙𝐶𝑘)𝑁
𝑘=1
(ec. 4.5)
donde,
38
qi concentración de contraiones en la fase de resina, desde i hasta n (eq·L-1)
qT concentración total de iones en la fase de resina (eq·Lresina-1)
Ck concentración del ion en la fase líquida (meq·L-1)
𝛼𝑝𝑖 factores de separación con respecto al ion de presaturación (p = Cl-)
Teniendo en cuenta que la capacidad de intercambio de la resina según datos del fabricante
es mayor o igual a 1,0 miliequivalentes por mililitro de resina humedecida (ver cuadro 4.8).
Se calcula el máximo volumen de agua que puede ser tratada por volumen de resina
asumiendo condiciones de equilibrio. Para esto, en el cuadro 4.9 se presentan los aniones
principales que contiene el agua de estudio. Además, se resumen los valores de 𝛼𝑝𝑖 que
igualmente se muestran en el cuadro 4.9, y también, los valores de qi
Cuadro 4.9. Valores para la estimación del volumen de agua a tratar
Concentración fase líquida, Ck
Anión 𝜶𝒑𝒊 1 mg·L-1 meq·L-1
qi
eq·L-1
HCO3- 0,27 168,25 3,37 0,013
SO42- 9,1 344 7,16 0,964
Cl- 1,0 53 1,50 0,022 1 valores según (Crittenden, Trussel, & Crittenden, 2012)
Según la información recopilada en el cuadro 4.9, se procedió a estimar el volumen
máximo de agua que puede ser tratado durante un ciclo antes que se alcance el punto de
ruptura con respecto al sulfato, de acuerdo con la siguiente expresión
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 𝑞𝑆𝑂4
2−∙
𝐶𝑆𝑂42−
=(0,964
𝑒𝑞𝐿 ) ∙ (103 𝑚𝑒𝑞
𝑒𝑞 )
7,16 𝑚𝑒𝑞
𝐿
= 134,64 𝐿𝑎𝑔𝑢𝑎
𝐿𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎
Obtenido este valor, se procedió a asumir un empaque de columna de aproximadamente
5 mL de resina y, por lo tanto, se obtiene que podría ser capaz de tratar un máximo de 673,2
mL de agua. Con la intención de observar gráficamente la caída en la eficiencia de la resina
por saturación de su lecho y conociendo que la capacidad de intercambio de la resina es
superior o igual a un miliequivalente por litro de resina humedecida (ver cuadro 4.8.), se
39
aplicó un exceso de agua cercano al 20%, así se alcanzó un volumen a tratar de 800 mL. Sin
embargo, para apreciar con claridad la saturación de la resina se consideró oportuno la
aplicación de un volumen adicional del 50% de agua. De esta manera, el volumen total para
la corrida fue de 1200 mL.
4.3.3.2.2 Preparación de la columna
El experimento se desarrolló usando una columna de vidrio cuyo diámetro interno fue de
11 mm y una altura de 250 mm que se rellenó con 50 mm de la resina Amberlite® IRA 910
que correspondió a un volumen de lecho de 4,75 cm3. Una vez empacada con resina nueva,
se realizó un lavado de la resina utilizando 40 mililitros de ácido clorhídrico 0,5 molar y
posteriormente se enjuagó la resina utilizando agua desionizada, pasando de un pH de 2 a
uno cercano a 5, esto para remover el exceso de ácido en el medio. La prueba consistió en
analizar la remoción de SO42- a partir de una muestra inicial del agua de estudio con una
concentración inicial (C0) de 3,40 mmol SO42- ·L-1 que fue previamente caracterizada en el
Laboratorio CEQIATEC.
El tratamiento inició pasando la muestra de agua contaminada con SO42- a través del lecho
de resina preparado mediante flujo descendente. El caudal se mantuvo constante a un valor
de 11,63 mL·min-1 utilizando una botella de Mariotte que contenía la muestra de agua con
sulfato hasta la columna donde se encontraba la resina propuesta para el intercambio. La
concentración de sulfato en el efluente fue determinada mediante la recolección de muestras
de agua a intervalos de tiempo de 2,5 minutos que correspondían a 30 mililitros de muestra
en el efluente del sistema. Este proceso se realizó hasta alcanzar una saturación de la resina
y observar una concentración de sulfato en el efluente igual a la concentración inicial.
Para el desarrollo de este ensayo, se preparó un equipo tal y como se aprecia en la figura
4.2. con la intención de obtener un sistema capaz de realizar corridas del agua cruda a través
de la resina de intercambio manteniendo un flujo constante durante el experimento. Lo
segundo, fue realizar el empaque de la columna, para ello se empacó un lecho húmedo de
resina de aproximadamente 5 mL. Se cargó el recipiente de agua cruda del sistema con
aproximadamente 1,2 L y se inició la corrida. A partir del agua de alimentación, se reservaron
volúmenes de muestra a la salida de la columna empacada con resina, estas muestras fueron
40
de 30 mL aproximadamente y fueron tomadas hasta completar los 1200 mL del agua a tratar,
para un total de 40 muestras, estos recipientes con la muestra de agua fueron debidamente
rotulados de acuerdo con el orden en que fueron obtenidos. El tiempo que tardó en pasar el
volumen de agua a través de la columna fue de 103 minutos aproximadamente.
Figura 4.2. Esquema del sistema de columna de intercambio iónico a escala de laboratorio
4.3.3.3 Modelación de la curva de ruptura
Mediante revisión de literatura se observó como los modelos matemáticos empíricos
pueden predecir el comportamiento de la curva de ruptura. En este caso, González (2017)
destaca que los modelos de ajuste ideal se pueden aplicar fácilmente y permiten un
escalamiento de la curva de ruptura, eso sí, se deberá mantener fijo el tiempo de contacto.
No obstante, demanda la necesidad de realizar mayor cantidad de ensayos para predecir o
escalar el comportamiento a diferentes condiciones operativas. Mismas que no se realizan en
el presente estudio, pues se limita a evaluar la resina a una condición específica en la que se
evalúa si altas tasas de flujo limitan la capacidad operativa de la resina.
41
4.4 DISEÑO DE SISTEMAS PARA LA POTABILIZACIÓN DE AGUA
A partir de la evaluación de la calidad y cantidad del recurso hídrico de las nacientes que
son aprovechadas por el acueducto rural de la ASADA Santa Cruz de Turrialba, se han
determinado cuales son las bases para realizar la propuesta de tratamiento para la reducción
del contenido de dureza total y sulfatos. El enfoque considera la calidad y disponibilidad del
recurso hídrico de las nacientes “Caragra” y “La Quebrada” como fuentes de agua que en
conjunto con la captación “El Tirrá” cumplan con las necesidades de recurso hídrico para
abastecer a los usuarios del servicio.
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
5.1 OFERTA DEL RECURSO HÍDRICO DISPONIBLE
Se tuvo acceso a los registros históricos con los que cuenta el Acueducto Rural de Santa
Cruz de Turrialba, para el aforo de sus captaciones Caragra, El Cedro, La Quebrada y El
Tirrá desde enero del año 2015 hasta abril del 2018 (apéndice 2). Con estos datos, que se
complementan los registros que el investigador obtuvo durante los aforos realizados en el
año 2017 (apéndice 3), se obtuvieron los valores del caudal promedio mensual desde agosto
del año 2017 hasta abril del 2018. Con esta información se construye el cuadro 5.1 y 5.2
donde se muestra el caudal reportado por cada naciente, el mes y el año en que se realizaron
los aforos. Para el año 2015, se realizaron aforos únicamente durante el primer semestre y
agosto. En el año 2016 cuenta con los registros de aforos más completos de los 4 años en
estudio, solamente en el caso de la naciente “La Quebrada” el aforo se vio interrumpido del
mes de junio a setiembre. En el caso del 2017, la ASADA únicamente registra datos en enero
y diciembre. Para el 2018 se han documentado los aforos del primer cuatrimestre, con la
excepción del mes de enero.
Entonces, a partir de la información disponible se observa que para los últimos 5 meses
del año 2017 y para el primer cuatrimestre del 2018, con excepción de enero, se reporta un
incremento en la oferta del recurso hídrico comparativamente con los mismos periodos de
los años anteriores. Por otra parte, los meses con menor caudal registrado corresponden a los
42
de junio a setiembre del 2016, particularmente en estos meses no se contaba con el registro
del aforo de la naciente “La Quebrada” y sumado a este periodo, en enero de 2017, la naciente
“El Cedro” no contaba con el registro de aforo, situación que disminuyó el valor promedio
reportado.
Debido a algunas condiciones desfavorables en las que se tuvo que realizar los aforos,
como lo son las condiciones topográficas donde se ubica cada captación, altas pendientes,
nacientes ubicadas sobre quebradas con una inestabilidad debido al movimiento de las rocas,
por el hecho que se identificó al menos una válvula en una de las captaciones en mal estado,
impidiendo detener el flujo a través de la línea de conducción. Se podría considerar una
incertidumbre elevada para los valores de aforo registrados. Sin embargo, se realizó esta
actividad para contar con datos de referencia y poder de esta manera, compararlos con los
registros históricos.
43
Cuadro 5.1. Registro de aforos de las nacientes captadas por el acueducto rural de Santa Cruz de Turrialba de los años 2015 y 2016.
Mes Caudal (L·s-1) - Año 2015 Caudal (L·s-1) - Año 2016
Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá Total Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá Total
Enero 13,3 9,2 3,5 12 38 10,8 12 3,5 11,9 38,2
Febrero 9,9 12 3,6 15,3 40,8 9,3 11,6 3,9 12,5 37,3
Marzo 8,9 15,3 3,7 15,6 43,5 9,6 12,2 3,4 12,1 37,3
Abril 9,5 10,5 3,7 11 34,7 9,5 10,5 3,7 14,7 38,4
Mayo 7,4 13,3 3,9 10,5 35,1 7,9 11,3 3,9 11,9 35
Junio 8 15 3,8 12,5 39,3 9,06 10,25 N.R 8,74 28,05
Julio N.R N.R N.R N.R N.R 8,99 11,44 N.R 7,88 28,31
Agosto 8,06 13,1 3,4 15,7 40,26 9,95 14,39 N.R 8,36 32,7
Setiembre N.R N.R N.R N.R N.R 9,63 10,06 N.R 6,92 26,61
Octubre N.R N.R N.R N.R N.R 14,07 7,76 3,58 11,49 36,9
Noviembre N.R N.R N.R N.R N.R 8,2 18,52 4,02 12,05 42,79
Diciembre N.R N.R N.R N.R N.R 9,06 12,18 2,59 13,16 36,99
Promedio 9,29 12,63 3,66 13,23 38,81 9,67 11,85 3,57 10,98 36,07
Desviación Estándar 1,97 2,24 0,17 2,25 6,64 1,58 2,63 0,45 2,4 7,06
N.R. = Valor no registrado
44
Cuadro 5.2. Registro de aforos de las nacientes captadas por el acueducto rural de Santa Cruz de Turrialba de los años 2017 y 2018.
Caudal (L·s-1) – Año 2017 Caudal (L·s-1) – Año 2018
Mes Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá Total Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá Total
Enero 7,12 3,58 3,58 11,5 25,78 N.R N.R N.R N.R N.R
Febrero N.R N.R N.R N.R N.R 11,4 14,83 8,72 14,49 49,44
Marzo N.R N.R N.R N.R N.R 14,74 13,20 9,52 13,86 51,32
Abril N.R N.R N.R N.R N.R 10,13 13,21 8,28 11,14 42,75
Mayo N.R N.R N.R N.R N.R - - - - -
Junio N.R N.R N.R N.R N.R - - - - -
Julio N.R N.R N.R N.R N.R - - - - -
Agosto 10,87±1,28 16,86±2,18 7,76±1,71 14,15±2,42 49,63 - - - - -
Setiembre 11,28±0,71 14,92±1,01 9,07±0,34 13,52±1,71 48,78 - - - - -
Octubre 10,18±1,39 14,91±1,40 8,30±0,33 13,98±0,73 47,37 - - - - -
Noviembre 9,47±1,17 12,81±0,98 8,04±0,59 13,37±2,17 43,68 - - - - -
Diciembre 10,02±1,12 13,68±1,46 8,35±0,68 12,10±1,97 44,15 - - - - -
Promedio 9,82 12,79 7,52 13,1 43,23 12,09 13,75 8,84 13,16 47,84
Desviación Estándar 1,47 4,72 1,98 1,07 9,23 2,38 0,94 0,63 1,78 5,74
45
Con base en la información del cuadro 5.1 y 5.2 se puede observar que para el año 2015
el promedio total de agua captada corresponde a (38,81 ± 6,64) L·s-1 mientras que para 2016,
el 2017 y lo registrado para el 2018 se tienen valores de (36,07±7,06), (43,23 ± 9,23) y
(47,84±5,74) L·s-1 respectivamente. Para el 2015 el valor de caudal mínimo registrado fue
para abril con un valor de 34,70 L·s-1 y como máximo en el mes de marzo con un total de
43,5 L·s-1. De igual manera, para los años 2016, el valor más bajo fue de 26,61 L·s-1 en
setiembre y un máximo de 42,79 L·s-1 para noviembre. En el 2017 el valor inferior se presenta
en el mes de enero con 25,78 L·s-1 mientras que el valor superior lo tiene el mes de agosto
con 49,63 L·s-1. Por último, los valores disponibles para 2018 presentan un valor mínimo de
42,75 L·s-1 en el mes de abril y el valor más alto en el mes de marzo, siendo este dato el más
alto de todos los años en comparación para un valor de 51,32 L·s-1. Desde el mes de agosto
de 2017 se presenta una tendencia que muestra un incremento en los registros de los valores
de caudal, pues se cuentan con los aforos de las 4 captaciones, además que, se ha trabajado
con un recipiente con volumen conocido. Situación que ha contribuido a aproximar de mejor
manera el valor de caudal en cada naciente. Al contar con registros de caudales totales
captados de forma regular durante aproximadamente tres años y medio, se elaboró un
histograma de frecuencia relativa y acumulada, la figura 5.1 con este gráfico se pudo
determinar que aproximadamente el 80% de las mediciones de caudales son menores a los
13,97 L·s-1 y alrededor del 50% de los datos son para caudales que se encuentran entre los
9,42 y los 13,97 L·s-1.
Figura 5.1. Histograma de los caudales reportados durante los aforos comprendidos entre los años 2015 y 2018.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0
5
10
15
20
25
4,87 7,14 9,42 11,69 13,97 16,24 18,52
Caudal (L·s-1)
Frecuencia relativa
% Acumulado
46
La confiabilidad y utilidad de los valores obtenidos se está viendo comprometida debido
a las condiciones actuales en las que se realiza el aforo en las captaciones. Durante las visitas
de campo efectuadas, se constató las dificultades que están presentes, esto pone en una
situación comprometedora la integridad de los encargados de aforar las nacientes. En el
apéndice 3 se muestran los registros fotográficos de los sitios en los cuales se realizan los
aforos. Por otra parte, con base en la descripción que se realizó en la sección en la
metodología con respecto a los espacios donde se realizan mediciones de caudal se elaboró
el cuadro 5.3 que describe la situación y riesgos que limitan la confiabilidad de los valores
obtenidos y se dan sugerencias u oportunidades de mejora del aforo en cada captación.
Cuadro 5.3. Descripción de riesgos y oportunidades de mejora para los aforos en captaciones que
emplea la ASADA Santa Cruz de Turrialba.
Captación Riesgos Oportunidad de mejora
Caragra Es un sitio de acceso complicado, ya que debe
realizarse el aforo sobre la quebrada, en un
terreno con pendiente e inestabilidad debido a
las rocas que se encuentran y genera un riesgo
de caídas. La tubería de conducción, así como
troncos y rocas genera obstáculos para colocar
el recipiente de aforo.
Añadir una sección de tubería en la línea que
se utiliza para medir los aforos hasta un sitio
fuera de la quebrada, de esta manera se podrá
incluso montar una estructura en concreto que
permita regular el nivel del suelo en el que se
coloque el recipiente para aforo.
El Cedro Captación que presenta situaciones similares
a la Naciente Caragra, donde la inestabilidad
del terreno, tuberías ubicadas sobre la
quebrada, rocas y vegetación generan una
complicación adicional al momento de
realizar los aforos
Trasladar el sitio de aforo hasta una sección
en donde se pueda instalar un accesorio de
tipo tee seguido de una válvula que restrinja
el paso de la línea de conducción hacia el
tanque de reunión. De esta manera, tal como
se realiza en la naciente La Quebrada permita
desviar el caudal de manera que al montar una
superficie nivelada en concreto permita
colocar el recipiente de aforo y permita
obtener datos más cercanos al real.
47
Continuación del cuadro 5.3
Captación Riesgos Oportunidad de mejora
La
Quebrada
Presenta las condiciones más favorables para
realizar el aforo, como único detalle que
afecta la medición del caudal es que no se
cuenta con una superficie en la que se pueda
colocar el recipiente de aforo que genere una
estabilidad y no se desnivele tal recipiente.
Además, presenta conexiones de tuberías
posteriores al sitio de aforo, lo que agrega
incertidumbre a la medición.
Instalar un piso en concreto, de esta manera se
contará con una superficie que contrarreste los
posibles desniveles al momento de colocar el
recipiente para medir volumen de agua.
El Tirrá No se cuenta con las mejores condiciones para
realizar el aforo, debido a que la válvula que
conduce al tanque de reunión se encuentra
dañada, esto impide un cierre efectivo del
paso de agua al momento de tomar el aforo.
Además de que no existe una superficie a
nivel donde se pueda colocar el recipiente
para aforo.
Realizar la reparación de la válvula
respectiva, así como la instalación de una
superficie a nivel que permita colocar el
recipiente
Adicionalmente, se sugiere contar con recipientes de aforo respectivamente calibrados y
apropiados a los volúmenes de agua que actualmente se manejan. Esto porque durante los
aforos se observan pérdidas de agua por rebalse debido a la presión con que sale el agua a
través de la tubería y el limitado volumen del recipiente para el aforo.
En Costa Rica, uno de los sectores que se considera más vulnerable ante los efectos del
cambio climático lo conforma el recurso hídrico, sector relacionado con la utilización de agua
para consumo humano doméstico, saneamiento y la agricultura. Se espera que los impactos
estén relacionados directamente con cambios en la temperatura y el régimen de
precipitaciones. Lo cual, puede tener repercusión en la provisión de agua potable ya que,
podrían darse alteraciones en los periodos de precipitaciones que ocasionen que no se
abastezca de manera adecuada los mantos acuíferos (Herrera J. , 2017)
Por esta razón, se considera oportuno contemplar la información relacionada con las
precipitaciones, se tomaron los datos aportados por la estación meteorológica más cercana
48
ubicada en Capellades de Alvarado aproximadamente a 4,8 km de la zona de estudio. En la
figura 5.2 se muestran como han variado las precipitaciones en los últimos 5 años. Se pone
especial atención en los años 2013 y 2016 pues representan los periodos con menor
precipitación. Por otra parte, los años 2015 y 2017 se muestran en promedio como los años
con más cantidad de lluvia. Con relación a los meses con menor lluvia, se identifican los
meses de enero a abril. No obstante, se muestra gran variabilidad en el comportamiento de
las precipitaciones, situación que impide definir los periodos con aumentos o disminuciones
de las lluvias.
Figura 5.2. Comportamiento de las precipitaciones registradas por la estación meteorológica de
Capellades de Alvarado, periodo comprendido del 2013 al 2017.
Además, en la figura 5.3 se realiza una comparación de la precipitación con respecto a los
caudales medidos en las nacientes en estudio, considerando los años 2016 y 2017, pues
representativamente son los años en los que se cuenta con un mayor registro de aforos.
0
100
200
300
400
500
600
Precip
ita
ció
n (
mm
)
Mes
2013 2014 2015
2016 2017
49
Figura 5.3. Comparación de caudales y precipitación para los años 2016 y 2017
En la figura 5.3 se puede observar como en el año 2016 los caudales reportados se
muestran relativamente similares, siendo los meses de junio, julio y setiembre los que
reportan una menor oferta del recurso hídrico, sin embargo, esto obedece a que durante estos
meses no se realizó el aforo de la naciente La Quebrada, situación que podría justificar tal
reducción. Por otro lado, si se puede observar como en el mes de noviembre del mismo año
corresponde al periodo con mayor oferta de agua captada, acompañado también de ser el mes
con mayor registro de precipitación en la zona. Durante el año 2017, específicamente en los
meses de febrero a julio, no se realizaron aforos por parte del Acueducto. Para los meses de
agosto a diciembre los caudales registrados corresponden a los efectuados por el investigador
del proyecto. Se puede observar como para setiembre, uno de los meses con mayor
precipitación, se muestra comparativamente con el registro de precipitación más elevado del
año.
Por último, se presenta en el cuadro 5.4. el resumen de los caudales promedio que ofrecen
las nacientes según los años en los que se han reportado sus aforos.
0
10
20
30
40
50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Cau
dal
(L·s
-1)
Precip
itació
n (
mm
)
Mes
Caudal 2016 Caudal 2017
Precipitación 2016 Precipitación 2017
50
Cuadro 5.4. Resumen de caudal promedio ofertado por las nacientes captadas por el acueducto rural
de Santa Cruz de Turrialba.
Año Caudal Nacientes (L·s-1)
Caudal total Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá
2015 9,29 12,63 3,66 13,23 38,81
2016 9,67 11,85 3,57 10,98 36,07
2017 9,82 12,79 7,52 13,10 43,23
2018 12,09 13,75 8,84 13,16 47,84
Promedio 10,22 12,75 5,90 12,62 41,49
Como tal, se puede observar que, en términos de volumen de agua disponible, las
nacientes con mayor capacidad de aportar este recurso son la naciente “El Cedro” y “El Tirrá”
con valores de 12,75 y 12,62 L·s-1 respectivamente. También es posible observar como el
caudal total reportado en promedio para cada año presenta una tendencia creciente. Hecho
que en primera instancia se puede deber a la mejora en la técnica del aforo realizado, evitando
así, pérdidas involuntarias de agua al momento de tomar los datos. O bien, se puede deber a
una mayor cantidad de volumen generado por cada una de las nacientes. Es importante
señalar en este punto que, el volumen de agua disponible con respecto a los habitantes de las
comunidades abastecidas da un valor de 896 Litros por habitante al día.
5.2 ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA CAPTADA
Para la evaluación de la calidad del agua que dispone el Acueducto Rural de Santa Cruz
de Turrialba, en el cuadro 5.5. se presenta el promedio de los registros de análisis de
laboratorio que se han realizado históricamente por la ASADA desde el periodo 2009 hasta
el 2016, específicamente para sus captaciones, en el apéndice 4 se muestra la información
detallada de estos resultados.
51
Cuadro 5.5. Registro histórico de los análisis de laboratorio realizados por el acueducto rural de Santa Cruz de
Turrialba.
Parámetro
(mg·L-1) Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá
Valor
máx. admisible
Calcio 68,85 71,63 68,60 46,58 100
Magnesio 55,38 59,46 56,90 35,86 50
Sulfato 292,64 303,49 281,53 154,51 250
Dureza Total 412,20 428,60 415,00 275,60 400
Potasio 13,57 13,33 N.R 9,08 10
Se puede observar en el cuadro 5.5. que el promedio de los datos disponibles desde el año
2009 y hasta el 2016 indican que existen sustancias en el agua que exceden los parámetros
permisibles en la normativa actual del país, siendo estas captaciones las que utiliza el
acueducto para abasto de la población.
Por otra parte, en el cuadro 5.6. se hizo un especial seguimiento al calcio, magnesio,
potasio y sulfatos de cada naciente, sustancias presentes en el agua con valores que en
reiteradas ocasiones se encontraban por encima del valor máximo admisible según el
Reglamento para la Calidad del Agua Potable de Costa Rica. Como parte del presente
trabajo, se realizaron análisis de laboratorio de la calidad del agua, por parte del proyectista,
para las captaciones del periodo de agosto a diciembre del año 2017 tal y como se muestra
en el cuadro 5.6. Estos datos se presentan como el valor promedio de estas mediciones.
Cuadro 5.6. Concentración promedio de los contaminantes por naciente
Parámetro Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá Tanque de
Reunión
Valor
máx. admisible
Calcio (mg·L-1) 84,00 86,40 85,30 52,90 74,10 100
Magnesio (mg·L-1) 66,80 71,70 69,00 35,70 57,10 50
Sulfato (mg·L-1) 347,40 353,90 347,00 164,00 285,00 250
Dureza Total (mg·L-1) 487,11 518,00 504,44 277,89 419,56 400
Potasio (mg·L-1) 15,56 14,44 13,78 8,87 12,56 10
pH 5,82 6,02 5,70 5,66 5,74 6 a 8
Temperatura (°C) 24,40 22,92 21,82 19,12 21,39 18 a 30
52
Del cuadro 5.6, se observa como para el periodo de agosto a diciembre del 2017, como
parte de los análisis realizados por el proyectista, el calcio presenta valores por debajo del
máximo admisible, Sin embargo, el magnesio presenta valores elevados, situación que
conlleva a un valor elevado de dureza total que ocasiona se encuentre por encima de lo
establecido en la legislación vigente. En cuanto al sulfato, este presenta valores que están
fuera del límite superior permitido para la mayoría de las nacientes, para el tanque de reunión
y para su valor promedio. De igual manera sucede con el potasio. El pH medido en campo
muestra valores ácidos y por debajo del límite inferior que establece el marco normativo del
país.
Se hace especial atención en la naciente El Tirrá, pues comparativamente, es una naciente
que no se comporta de la misma manera que las otras captaciones. Al observar la figura 4.1.
se debe considerar que esta naciente se encuentra al margen derecho de un pequeño río que
se encuentra en la finca donde se ubican las nacientes, hecho que contrarresta con las demás
nacientes ubicadas al margen izquierdo. Las causas que ocasionan este fenómeno requieren
de otro tipo de análisis que no son contemplados en esta investigación. Con base en los
resultados de los análisis efectuados durante el 2017, se realizó una estimación de la relación
que presentan estos contaminantes, como se muestra en el cuadro 5.7. para ello, se tomó el
sulfato como parámetro para realizar la estimación de los coeficientes de relación.
Cuadro 5.7. Coeficientes de correlación entre el sulfato y parámetros de calidad del agua con valores
por encima de la norma nacional.
Variable Dureza Total Potasio Temperatura Caudal pH
Sulfato 0,9492 0,8946 0,4636 0,8000 -0,3102
El resultado en el cuadro 5.7. muestra como existe una correlación más marcada entre la
dureza total y el sulfato. Esto permite afirmar, que entre las variables existe una dependencia
importante y no está asociada significativamente a las otras variables analizadas. Dado este
comportamiento es que el interés es realizar un estudio tal como se muestra en las figuras 5.4
y 5.5. como el ion sulfato presenta un valor más elevado con respecto a la reglamentación
vigente. De la misma manera, se evalúa la dureza total, según cada naciente y su comparación
frente a la normativa vigente.
53
Figura 5.4. Comportamiento de la concentración de Sulfato.
Figura 5.5. Comportamiento de la concentración de Dureza Total.
Basado en los resultados anteriores, se determinó que la captación El Cedro presenta los
valores más elevados de sulfato y dureza total a lo largo del estudio efectuado tal y como se
muestra en el cuadro 4.3. con los promedios de cada uno de los puntos de muestreo. Siendo
esta naciente la que presenta la segunda mayor oferta de caudal disponible. Mientras que la
130
180
230
280
330
380
430
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Con
cen
tració
n (
mg·L
-1)
Número de análisis
Máximo admisible CaragraEl Cedro La QuebradaEl Tirrá Tanque de reunión
200
250
300
350
400
450
500
550
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Con
cen
tra
ció
n (
mg
·L-1
)
Número de análisis
Máximo admisible Caragra El Cedro
La Quebrada El Tirrá Tanque de reunión
54
naciente con valores por debajo del valor máximo que exige el reglamento corresponde a la
naciente El Tirrá, siendo esto un caso muy favorable, debido a que es la naciente que presenta
el mayor caudal disponible con respecto a las restantes nacientes que son parte del estudio.
De acuerdo con los resultados, es necesario que la ASADA realice un control constante de
estos parámetros de manera que se esté evaluando la calidad del recurso hídrico que se
abastece a la población.
5.3 ANÁLISIS DE LA DEMANDA ACTUAL DE AGUA POTABLE
De acuerdo con la información de consumo recopilada, la cual es registrada por el
Acueducto a partir de las lecturas mensuales de los sistemas de micro medición instalados.
Además, con el proyecto que fue iniciado en octubre del 2016 y la instalación de los primeros
equipos de lectura del consumo para sus abonados, en el mes de abril del 2018 registra un
total de 201 micromedidores instalados, este valor representa un 18% del total de abonados
(activos e inactivos) o bien, un 22% del total de abonados activos. En la figura 5.6. se
evidencia como fue el comportamiento del consumo de agua durante el periodo comprendido
entre setiembre del 2017 y abril del 2018, se obtuvo en promedio un consumo de 190
L·(persona· día)-1, para el mes de setiembre fueron 199 y en abril fue de 242 L·(persona·
día)-1.
De acuerdo con datos del ICAA, mencionado por Ureña (2016), las dotaciones
establecidas para poblaciones de tipo rural son de (150-250) L·(persona· día)-1 y para
población urbana el rango va de los (250-300) L·(persona· día)-1. Como se observa, estos
datos permiten asegurar que la población abastecida por la ASADA Santa Cruz de Turrialba
presenta un consumo que se ajusta a los valores establecidos por las autoridades competentes.
55
Figura 5.6. Consumo de agua potable mensual de acuerdo con el registro de la cantidad de abonados con micro
medición instalada del mes de setiembre de 2017 al mes de abril de 2018.
Según datos que maneja el acueducto, existe un total de 1106 conexiones activas e
inactivas. Sin embargo, la micro medición instalada se ha realizado solamente en 201
conexiones para el mes de abril de 2018. Situación que impide realizar una contabilidad real
del consumo de agua que realizan sus abonados. Como se observa en la figura 5.6 el
incremento en el consumo de agua facturado está relacionado directamente con el incremento
de medidores de consumo instalados el cual es el comportamiento esperado conforme se
incremente la cantidad de equipos en funcionamiento. El hecho que se debe resaltar en este
gráfico es como el consumo de agua es superior para los usuarios no domiciliares, compuesto
por los abonados que destinan el agua para uso comercial, especial e industrial. Se observa
como el consumo domiciliar es el que presenta una tendencia al crecimiento, esto obedece a
que el proyecto de instalación de micro medición inició con la colocación de los equipos a
los usuarios no domiciliares como una primera etapa, debido a que era de conocimiento del
Acueducto que eran estos usuarios del servicio los que realizaban un mayor consumo del
recurso que se disponía para el total de abonados. Por este motivo, es que se cuenta con un
amplio porcentaje cubierto por esta categoría, y el proyecto hoy en día ha puesto su atención
en la instalación de los lectores de consumo en los usuarios domiciliarios.
Haciendo uso de la información disponible de micro medición, ver apéndice 5, se elabora
el cuadro 5.8 para estimar el consumo por persona al mes y persona por día, se tomó como
160
170
180
190
200
210
0
1500
3000
4500
6000
7500
09/17 oct-17 nov-17 dic-17 ene-18 feb-18 mar-18 abr-18
Can
tid
ad
de
ab
on
ad
os
Cau
dal (m
3 )
Fecha
Domiciliar No domiciliar Consumo total Cantidad de abonados
56
indicador el valor que indica el INEC de 3,4 habitantes por vivienda para el distrito de Santa
Cruz de Turrialba.
Cuadro 5.8. Datos de consumo promedio y per cápita para los sistemas de micro medición instalados
por la ASADA Santa Cruz de Turrialba.
Fecha
(mm-aa)
DOMIPRE
(m3)
EMPREGO
(m3)
DOMIPRE EMPREGO
m3·
(persona·mes)-1
L·
(persona·día)-1
m3·
(persona·mes)-1
L·
(persona·día)-1
09-17 19 84 5,5 184 25 823 10-17 14 54 4,1 137 16 528 11-17 11 57 3,4 112 17 561
12-17 12 80 3,4 113 24 787 01-18 16 92 4,7 156 27 906 02-18 17 87 4,9 164 26 851 03-18 17 83 5,0 166 24 811 04-18 20 95 5,7 191 28 927
Promedio 16 79 5,0 153 23 774
Como se observa en el cuadro 5.8 el consumo promedio para una persona al día en el caso
del abonado de tipo DOMIPRE cumple con los criterios establecidos por el ICAA en cuanto
al rango de dotación para poblaciones rurales mencionado anteriormente en esta misma
sección. Por otra parte, el abonado de tipo EMPREGO registra un valor promedio de 744
litros por habitante al día, dato que es prácticamente 3 veces más el valor superior
recomendado para las dotaciones de tipo rural. Esta situación muestra como un tipo de
usuario, el cual es minoritario en cantidad de abonados registrados, realiza un consumo del
recurso hídrico disponible que puede poner en riesgo la estabilidad de la prestación del
servicio a los demás usuarios. Bajo este panorama, el Acueducto Rural de Santa Cruz de
Turrialba requiere en promedio al menos 31 metros cúbicos de agua al mes por cada abonado,
lo que representa, (302 ± 50) litros por habitante al día. Considerando el valor de consumo
para cada abonado, se podría aproximar que, para la totalidad de abonados, 933, el consumo
mensual en metros cúbicos representa un valor de 28.711. Este valor indica que se requieren
alrededor de un caudal 11,08 litros de agua por segundo para satisfacer los requerimientos de
la población.
Si bien es cierto, el cuadro 5.8 se realizó únicamente con los datos de la población
abastecida que cuenta con sistema de micro medición instalada y no existe la posibilidad de
estimar el consumo total de la población debido a que no existe un mecanismo que permita
contabilizar el consumo de los abonados restantes, tampoco para identificar pérdidas, fugas,
57
conexiones ilegales, errores en lecturas, mal funcionamiento de los micromedidores.
Además, no se cuenta con equipo de macro medición que permita realizar un mejor control
de estos factores mencionados. Hechos que provocan que la cantidad del recurso hídrico que
se suministra a la población carezca de precisión y que el valor incluso pueda ser superior al
estimado.
5.3.1 Proyección de la demanda futura
De acuerdo con la información brindada por el INEC, con respecto a datos demográficos
del distrito de Santa Cruz de Turrialba, cubierto por el Acueducto Rural de Santa Cruz, se
muestran el cuadro 5.9 las tasas de crecimiento poblacional.
Cuadro 5.9. Índices de crecimiento poblacional para el distrito de Santa Cruz de Turrialba
Censo Población
Tasa de crecimiento según método (%)
Lineal o
aritmético Geométrico
Geométrico
simplificado
(Bocaz)
Logarítmico Promedio
1973 2492 - - - - -
1984 2659 0,61 0,59 0,59 0,59 0,59
2000 3421 1,79 1,59 1,57 1,57 1,63
2011 3208 -0,57 -0,58 -0,58 -0,58 -0,58
A partir de estos valores, se realizaron las estimaciones que muestran el comportamiento
de la proyección futura de la población y estos se presentan resumidos en el cuadro 5.10 para
cada método empleado. En el apéndice 6 se presentan las estimaciones para la totalidad de
los años, a partir del 2020 y hasta el 2040.
Cuadro 5.10. Datos de población futura para el distrito de Santa Cruz de Turrialba.
Método Tasa de crecimiento
anual (%)
Año
2020 2025 2030 2035 2040
Lineal o aritmético - 3034 2937 2840 2743 2646
Geométrico -0,58 3044 2956 2871 2788 2708
Logarítmico -0,58 3415 3536 3661 3952 3925
58
Se puede observar como el comportamiento general es hacia la disminución de la
población para el distrito de Santa Cruz, situación que obedece al resultado de los censos
para el año 2000 y 2011 en el que se presentó una disminución de la población de la zona.
Caso contrario se observa para el método logarítmico en que la población aumenta y pasa de
los 3208 a los 3925 del año 2011 al 2040 respectivamente. En la figura 5.7. se observa el
comportamiento de las proyecciones
Figura 5.7. Comportamiento de la población futura del distrito Santa Cruz de Turrialba
5.3.2 Cálculo del consumo futuro de agua
Del cuadro 5.8 el consumo promedio es de 302 ± 50 litros por persona al día, de esta
manera, se asume una dotación neta de 325 litros por persona al día. Con este valor, se
presenta la dotación bruta en el cuadro 5.11. asumiendo porcentajes de pérdidas del recurso
hídrico desde 12,5%, 20,0% hasta un 25% según las recomendaciones del ICAA y el Instituto
de Fomento y Asesoría Municipal, IFAM, mencionado por Ureña (2016).
2300
2700
3100
3500
3900
4300
2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Can
tid
ad d
e h
abit
ante
s
Año
Método lineal o aritmético
Método geométrico
Método logarítmico
Promedio
59
Cuadro 5.11. Resultados de la estimación de la dotación bruta.
Aspecto Valor
Porcentaje de pérdidas (%) 0 12,5 20 25
Dotación Bruta (L·persona-1·día-1) 325 371 406 433
Para el valor máximo, asumiendo de un 25% de pérdidas como límite superior, la dotación
sería de 433 litros por persona al día, valor que según la dotación para tipo rural y su rango
recomendado por el ICAA 150 – 250 litros por persona al día, se aproxima prácticamente al
doble de este rango sugerido. Por otra parte, se estima el caudal medio diario (Qmd), caudal
máximo diario (QMD) y caudal máximo horario (QMH) proyectados para los años 2040 y
2045, representados en el cuadro 5.12, y a su vez, considerando los valores de pérdidas del
cuadro 5.11. con la finalidad de evaluar cuál sería la variación de la cantidad de agua
requerida en futuros escenarios.
Cuadro 5.12. Estimación del Qmd, QMD y QMH para los años 2040 y 2045
Población Qmd (L·s-1), año 2040 Qmd (L·s-1), año 2045
325 371 406 433 325 371 406 433
Método geométrico 10,19 11,63 12,72 13,57 9,89 11,29 12,36 13,18
Método logarítmico 14,76 16,85 18,44 19,67 15,28 17,45 19,09 20,36
Promedio 12,47 14,24 15,58 16,62 12,59 14,37 15,73 16,77
Población QMD (L·s-1), año 2040 QMD (L·s-1), año 2045
325 371 406 433 325 371 406 433
Método geométrico 12,22 13,95 15,27 16,28 11,87 13,55 14,83 15,82
Método logarítmico 17,71 20,22 22,13 23,60 18,34 20,94 22,91 24,44
Promedio 14,97 17,09 18,70 19,94 15,11 17,24 18,87 20,13
Población QMH (L·s-1), año 2040 QMH (L·s-1), año 2045
325 371 406 433 325 371 406 433
Método geométrico 19,56 22,33 24,43 26,06 18,99 21,68 23,73 25,31
Método logarítmico 28,34 32,36 35,41 37,76 29,35 33,50 36,66 39,10
Promedio 23,95 27,34 29,92 31,91 24,17 27,59 30,19 32,20
Para efectos de diseño, se pretende utilizar como valor de caudal medio diario (Qmd) el
valor de 16,77 L·s-1 para el año 2045, que corresponde con un 25% de pérdidas. Con respecto
60
al valor de caudal máximo diario (QMD), para cumplir con los requerimientos de agua para
los años 2040 y 2045, el acueducto rural de Santa Cruz de Turrialba deberá contar con al
menos 20,13 L·s-1 para prestar el servicio a sus usuarios, considerando el crecimiento
poblacional y también, el porcentaje de pérdidas del 25%. Por último, el valor de caudal
máximo horario corresponde a 32,20 L·s-1. Sin embargo, todos estos valores de caudal
requerido pueden reducirse hasta en un 25% si no se consideran las pérdidas del recurso
hídrico. Además, se hace necesario mencionar que estos son valores relativamente elevados
según las dotaciones que se recomiendan a nivel nacional, situación que se debe en gran
medida a que la muestra contemplada para las estimaciones tomó a los usuarios que
actualmente se dedican a labores como el pastoreo de ganado para la producción de leche.
Siendo estos los responsables de un consumo por encima del que se espera para abonados
que dedican sus actividades a un uso domiciliar únicamente.
De la información obtenida en el apartado de oferta del recurso hídrico, cuadro 5.4. el
acueducto rural de Santa Cruz tiene una oferta del recurso hídrico de hasta 41,49 L·s-1
considerando el promedio de los resultados de aforos de los últimos 4 años. Además, en
términos de calidad del recurso hídrico y su cumplimiento con la normativa vigente es
importante mencionar que es la naciente El Tirrá la que presenta los parámetros de calidad
más acordes con lo estipulado por el reglamento para la calidad del agua potable en Costa
Rica, seguido de esta, se encuentran las nacientes Caragra y La Quebrada. Es decir, se pueden
sumar los caudales promedios de las nacientes El Tirrá con 12,62 L·s-1 y Caragra con 10,22
L·s-1, y así, el acueducto rural de Santa Cruz tendría suficiente agua para cumplir con el valor
de caudal máximo diario (QMD) obteniendo un caudal de 22,84 L·s-1 el cual sería suficiente
para atender la demanda requerida para el año 2045 que según cálculos fue de 20,13 L·s-1
(ver cuadro 4.10.)
Para efectos del trabajo de laboratorio del presente estudio no se optó por la mezcla de las
captaciones con condiciones más favorables (El Tirrá y Caragra). En este caso, se realizó una
mezcla de las fuentes Caragra y La Quebrada, debido a que los contaminantes de interés
presentes en sus aguas exceden los límites permisibles, hecho que motiva a plantear una
posible alternativa para aguas con alto grado de contaminación de estas sustancias tales como
las que emplea el acueducto de Santa Cruz, así como los demás entes que se abastecen de
estas aguas y que presentan similitudes en el comportamiento de la calidad del recurso.
61
5.4 SELECCIÓN DE TECNOLOGÍA DE TRATAMIENTO
Como se mencionó anteriormente, el estudio de las alternativas de tratamiento se realizó
para determinar que tecnologías permiten adecuar las nacientes “Caragra” y “La Quebrada”,
de manera que se dé una reducción en los valores de DT y SO42-, esto para que haya un
cumplimiento con la normativa vigente y se reduzcan los posibles efectos negativos que
pueda tener sobre la población abastecida. Como resultado de la revisión de alternativas para
la reducción de sulfatos y dureza total en aguas, (ver cuadros 3.2 y 3.5) se tiene la información
del cuadro 5.13 en el que se consideran cuales tecnologías aplican para la reducción de las
concentraciones de iones calcio, magnesio o sulfato.
Cuadro 5.13. Capacidad de las tecnologías para la reducción de contaminantes en agua para consumo
humano.
Tecnología Remueve
Sulfatos Dureza
Ablandamiento con cal No Si
Resinas de intercambio iónico Si Si
Nanofiltración por membrana Si Si
Osmosis inversa Si Si
Basado en la sección 3.3.1 el ablandamiento de agua se puede diseñar, considerando un
proceso de precipitación basado en la adición de un compuesto que genere las condiciones
en el sistema y se dé la formación de un componente insoluble (precipitado) que puede ser
removido posteriormente por métodos físicos. Para esto, como ya fue mencionado en la
sección 4.4.3 y 4.4.4 el tratamiento consistió en la adición de cal a un número determinado
de muestras de agua cruda obtenida directamente de las nacientes de interés. Sumado a estas
pruebas se consideró la adición de hipoclorito de calcio a estos ensayos. Debido a que fueron
observados en análisis de laboratorio previos, como la concentración de calcio y magnesio
principalmente, tendían a disminuir cuando se observaban los resultados de los análisis de
las nacientes con respecto al tanque de almacenamiento una vez que había sido clorada el
agua.
62
5.4.1 Ablandamiento del agua por precipitación
Para este experimento, tal y como se describió en la sección 4.3.2.3. se realizaron 4
ensayos, el primero de ellos, consistió en la adición de hipoclorito de calcio, el segundo
evaluó la capacidad de la cal comercial, seguida de un periodo de sedimentación, como
tercera alternativa, similar al tratamiento 2, con una etapa adicional en la que se añadió
hipoclorito de calcio, y por último, el cuarto tratamiento tomó una fracción del tratamiento 2
al cual se le aplicó la dosis de cloro requerido. Estas pruebas permitieron evaluar la capacidad
del hipoclorito de calcio y cal comercial como alternativa para la remoción de la dureza y sus
posibles efectos en la concentración del ion sulfato. Estos resultados se agrupan y se muestran
en el cuadro 5.14.
Cuadro 5.14. Resultados de la evaluación de cal comercial para la remoción de dureza total y sulfatos
del agua que abastece el Acueducto Rural de Santa Cruz de Turrialba.
Tratamiento Tiempo de retención
(minutos)
Calcio
mg·L-1 (Ca2+)
Magnesio
mg·L-1 (Mg2+)
Dureza Total
mg·L-1 (DT)
Sulfatos
mg·L-1 (SO42-)
pH
Agua cruda - 81±3 63±4 462 ±5 344 ±34 6
1 30 71 ± 4 24 ± 2 276 ± 4 320 ± 32 6,79
2 55 209 ± 10 0,08 ± 0,03 522 ± 10 318 ± 31 11,88
3 85 197 ± 9 0,10 ± 0,03 492 ± 9 314 ± 31 11,14
4 85 91 ± 4 12 ± 1 277 ± 4 309 ± 31 10,54
*
Del cuadro 5.14 se observa como el primer tratamiento tiende a reducir los valores de
todas las sustancias que se están dando seguimiento en esta investigación, específicamente,
para el tratamiento 1 el calcio presenta una reducción del 12,35% , para el magnesio la
reducción se logra en un 61,90%, comparativamente es menor a los restantes tratamientos
pues estos alcanzan un 99,87%, 99,84% y un 80,95% para los tratamientos 2, 3 y 4
respectivamente. Estas 2 sustancias permiten que la dureza total muestre una reducción
cercana al 40,00% para los tratamientos 1 y 4, no así para los tratamientos 2 y 3 que tienden
a aumentar.
Por último, se evaluó la concentración del ion sulfato, este disminuyó en los cuatro
tratamientos, los porcentajes respectivos para cada tratamiento fueron del 6,98, 7,56, 8,72 y
10,17. Adicionalmente, se dio un seguimiento al comportamiento del pH para los 4 ensayos
63
efectuados. Como se observa del cuadro 5.16. el tratamiento 1 permite que el agua que puede
ser utilizada para el abastecimiento a la población se encuentre en cumplimiento con la
normativa vigente para calidad de agua potable. Los restantes tratamientos por su parte
demandarían la necesidad de un proceso que regule este parámetro debido a sus valores
elevados, producto de la adición de hidróxido de calcio disponible en la cal comercial
estudiada.
5.4.2 Unidad de intercambio aniónico para la remoción de sulfato en agua
Haciendo un análisis de cuál es la combinación de tecnologías que se puede emplear, se
determinó que las resinas de intercambio aniónico permiten remover concentraciones de
sulfatos en aguas con excelentes rendimientos tal y como se ha descrito en la sección 3.4.
además que comercialmente, la oferta en el mercado es amplia, así como la revisión literaria
que muestra como es un tema ampliamente estudiado, hecho que permite seleccionar la
tecnología y predecir resultados favorables.
5.4.2.1 Elección de la resina
Con la información recopilada en el proceso de la revisión literaria, así como también, la
revisión de resinas de intercambio aniónico, que actualmente se ofrecen en el mercado,
fueron identificadas una serie de resinas, que la literatura ha identificado con especial
capacidad para la remoción del contaminante sulfato.
Amberlite® IRA-400(Cl),
Dowex 21K,
Amberlite® IRA 910,
Dowex Marathon 11.
De estas, se seleccionó la Amberlite® IRA 910 debido a que comparativamente con otras
resinas disponibles (ver información de apéndice 7), se mostraba una mejor relación de
64
cantidad/precio, también, se reporta una mayor eficiencia de este material para la reducción
de iones sulfatos en aguas debido a la afinidad que posee este material con dicho compuesto.
5.4.2.2 Curva de ruptura (BTC)
La resina fue seleccionada basada en los resultados obtenidos en la revisión de literatura,
principalmente, se consideró su costo económico por unidad de masa y la eficiencia que se
reportaba para la retención del ion sulfato. La capacidad de intercambio de iones está
relacionada con la cantidad de grupos funcionales que tengan las resinas, esto se expresa en
el número de equivalentes totales disponible por unidad de volumen de resina, de manera
que, alcanzado este valor, la resina perderá su capacidad para realizar la retención del
contaminante.
Es común, que el comportamiento de adsorción de una resina de intercambio sea
expresado en términos de la concentración del contaminante como su relación en este caso
de la concentración del sulfato en el efluente con respecto a la concentración a la entrada de
la columna (C·C0-1) en función del tiempo o del volumen del efluente para una altura de lecho
dada (García, Solache, Alarcón, & Martínez, 2014). Como tal, se observa en la figura 5.8. y
5.9. que, aplicando los valores teóricos para la saturación del lecho humedecido, que fueron
considerados a partir de los datos del fabricante, se observa el comportamiento deseado con
respecto al valor de ruptura cercano a los 800 mL en el que se alcanza la capacidad de
intercambio máxima reportada (1 meq·mL-1), a partir de este punto, el volumen de líquido
analizado en el efluente refleja una concentración de sulfato que se aproxima a la
concentración del contaminante inicial (C·C0-1
~ 1) hecho que indica que la resina ha retenido
la capacidad esperada y posterior a esto su eficiencia decae pues las concentraciones inicial
y final tienden a mostrarse similares.
65
Figura 5.8. Curva de ruptura de la resina Amberlite® IRA 910 para la retención del ion sulfato.
Figura 5.9. Eficiencia de remoción del ion sulfato por parte de la resina Amberlite® IRA 910
En el caso de la figura 5.9. fue construida considerando que cercana al valor de los 809
mL el sistema que contaba con los 5 mL de resina humedecida alcanzaba el punto de
equivalencia con respecto a la carga del contaminante presente en el agua de alimentación y
la capacidad de retención del SO42- por parte de la resina. Entonces, se puede considerar que
el uso a nivel de tratamiento de esta resina no puede sobrepasar este valor debido a que la
capacidad de retener el ion de interés se ve limitada. Como complemento, se observa que en
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Volumen (L)
C/C
0
Tiempo (h)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
0%
25%
50%
75%
100%
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Volumen (L)
% r
emo
ció
n
Tiempo (h)
66
la figura 5.10. la capacidad de retener el contaminante bajo las condiciones del estudio fue
superior al 80% para un volumen de agua mayor a la mitad del que fue empleado para el
ensayo. También, se puede afirmar observando este gráfico que la eficiencia de remoción del
50% ocurre cuando han transcurrido 900 mL de agua y no se considera conveniente
sobrepasar este punto pues el cambio en la pendiente de la curva indica que la tasa a la que
decae la eficiencia de retención del contaminante es más rápida que en los puntos de análisis
anteriores. Con respecto a la fracción de muestra del experimento, su análisis mostró una
concentración del ion sulfato de 166 mg · L-1 por lo tanto se cumple con el objetivo de tener
un agua con un parámetro acorde a lo estipulado en el reglamento para la calidad del agua
potable de Costa Rica, cuyo valor máximo permisible se tiene en 250 mg · L-1 a la vez que
se mantiene un rango de operación aceptable para la resina.
De acuerdo con García, Solache, Alarcón, & Martínez (2014) La cantidad de
contaminante que puede ser retenido en una columna de intercambio a partir de una
concentración inicial y un caudal constante se puede obtener de la ecuación 5.1
Cr= Qe∙tr∙C0
mc (ec 5.1)
En donde Cr representa en (mg·g-1) la capacidad de retener el contaminante de interés en
el punto de quiebre, Qe corresponde al flujo (L·min-1) en el efluente, tr corresponde al tiempo
de servicio (min) obtenido cuando se alcanza el C/C0 = 0,5 y mc es la masa de resina (g) en
la columna. El valor obtenido para este parámetro fue de 84,17 mg·g-1. Según esta
información, para realizar un tratamiento considerando las condiciones de operación que
requiere el acueducto, al tratar un flujo de agua de 9 L·s-1 se tendría que hacer frente una
carga de sulfato de 125 kg·d-1 y, por lo tanto, serían requeridos 1.485 kg de resina durante
una jornada de operación continua de 24 horas.
5.4.2.3 Modelación de curva de ruptura
Con el propósito de mostrar los datos experimentales de manera que se pueda predecir su
comportamiento en etapas posteriores de diseño de plantas piloto o un diseño a escala de
comunidad, se toman estos datos y se ajustan a modelos empíricos que han sido desarrollados
previamente por otros investigadores, de manera que se puedan conocer cuáles son los
67
parámetros/ coeficientes que describen el proceso de intercambio iónico entre la resina
seleccionada y el agua real que se pretende tratar para abasto de la población. Para, el caso
de estos 4 modelos, en el cuadro 5.15. se define el significado de sus variables, su unidad de
medida, así como el resultado obtenido para cada uno de sus parámetros.
Cuadro 5.15. Resultados de aplicación de 4 modelos experimentales para la prueba de intercambio
iónico de la resina Amberlite® IRA 910
Parámetros según modelo Valor
Datos generales
Flujo, Q (L·h-1) 0,6840
Masa, m (g) 3,4927
Volumen de resina empacada (mL) 5,0
Altura del lecho humedecido, H (cm) 5,0
Concentración inicial contaminante, C0 (mmol ·L-1) 3,4027
Thomas
Constante del modelo, kT (L·mmol-1·h-1) 1,1900
Capacidad de adsorción, q (mmol·g-1) 0,8772
Coeficiente de correlación, R2 0,9892
Bohart-Adams
Constante cinética del modelo, kB-A (L·mmol-1·h-1) 1,0638
Capacidad de remoción, qB-A (mmol ·L-1) 718,480
Coeficiente de correlación, R2 0,8259
Yoon-Nelson
Constante del modelo, KYN (h-1) 4.1248
Tiempo cuando C·C0-1 = 0,5; τ (h) 1.2922
Coeficiente de correlación, R2 0,8483
Wolborska
Coeficiente cinético de la transferencia de masa externa, βa (h-1) 725.7257
Capacidad de remoción, q (mmol ·L-1) 765.976
Coeficiente de correlación, R2 0,8445
En los procesos de adsorción de contaminantes resulta primordial conocer la naturaleza
del agua y la presencia de iones coexistentes en el medio. Estos son factores que permiten
conocer la capacidad de adsorción que son reflejados en los estudios de columnas y de esta
manera se puede realizar una aproximación a las condiciones de una puesta en marcha a nivel
de campo. (García, Solache, Alarcón, & Martínez, 2014). El ensayo de la curva de ruptura
fue planteado para observar el comportamiento de la resina mientras esta se satura con el ion
68
sulfato contenido en el agua a tratar. Por otra parte, en la sección 3.2.2.2 se describió el
modelo de Thomas y cómo este se utiliza para diseñar la máxima capacidad que tiene la
resina para retener el contaminante de interés. De esta manera, se considera como el modelo
más apropiado debido a que permite predecir un mejor comportamiento del sistema en
términos de la capacidad de adsorción de la resina Amberlite® IRA 910 con respecto al ion
sulfato. Este comportamiento se observa gráficamente en la figura 5.10, Además, según la
información del cuadro 4.15., el modelo de Thomas es el que presenta un mejor ajuste a los
datos obtenidos experimentalmente corresponde a con un coeficiente de correlación R2 de
0,9892. Según este modelo se obtuvo que posee una capacidad de intercambio de 84,30 mg
de sulfato por cada gramo de resina. Basado en esta relación es posible afirmar que, a partir
de un gramo de resina, se podría realizar el tratamiento de un litro de agua contaminada con
327 mg·L-1 de sulfato y se obtendría un resultado que estaría por debajo del límite admisible
por la reglamentación vigente.
Figura 5.10. Comparación de puntos experimentales y curvas de ruptura calculadas por (a) modelo de Thomas (b)
modelo de Bohart Adams (c) modelo de Yoon- Nelson y (d) modelo de Wolborska.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8
C/C
0
Tiempo (h)
(a)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8
C/C
0
Tiempo (h)
(b)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8
C/C
0
Tiempo (h)
(c)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8
C/C
0
Tiempo (h)
(d)
69
5.5 SISTEMA PARA LA POTABILIZACIÓN DE AGUA
5.5.1 Sistema de tratamiento actual
5.5.1.1 Tanque de reunión de aguas
El acueducto rural de la ASADA Santa Cruz de Turrialba cuenta con 4 fuentes de agua
captadas además de sus respectivas líneas de conducción hasta el tanque de reunión,
estructura que se encuentra en malas condiciones, fueron visibles grietas, pérdidas de agua a
través de las grietas, paredes internas y externas desgastadas y carentes de revestimiento, el
borde en concreto a su alrededor es menor a un metro y una de sus caras laterales se encuentra
en contacto con el terreno de la zona debido a la ubicación geográfica en la que se ubica, se
observaron sedimentos en lo interno del tanque y no se cuenta con un plan para su reparación
o al menos para efectuar lavados periódicamente, no se cuenta con una cerca de protección
en el perímetro y tampoco con un sistema de cierre seguro para la tapa. Este tanque tiene
dimensiones internas de 2,65 metros de largo, 1,85 metros de ancho y 1,30 metros de altura
del nivel de rebalse, por lo tanto, su capacidad útil para contener agua es de 6,37 metros
cúbicos.
Debido al sitio donde se ubica este tanque se dificulta obtener una fotografía que lo
permita ver en su totalidad, no obstante, en la figura 5.11 se puede apreciar parte de la
infraestructura del tanque desde la parte superior del mismo. Por último, no se conoce en
detalle la fecha de su construcción y ha quedado en evidencia que el mantenimiento a esta
infraestructura no es el adecuado, además, el volumen que recibía y se constató durante las
visitas de campo era en promedio 41,49 litros por segundo según el caudal generado por las
nacientes y descrito anteriormente, esto implica que el tiempo de retención hidráulico sea de
aproximadamente 2,56 minutos, caudal que es relativamente alto si se compara con el
volumen de la infraestructura y que ha quedado en evidencia debido al continuo rebalse. A
este punto, es necesario considerar la posibilidad de suspender el uso de este tanque y realizar
las gestiones necesarias para instalar una infraestructura acorde a los requerimientos de este
tipo de unidades.
70
5.5.1.2 Desinfección
Durante el primer trimestre del año 2018 se decidió por parte de la ASADA colocar el
sistema de cloración en el tanque de reunión descrito en el numeral 5.5.1.1 y como se aprecia
en la figura 5.11. esta decisión fue tomada considerando que existía un sector de la población
abastecida ubicada en un tramo comprendido entre el tanque de reunión y el tanque de
almacenamiento “Patal” (donde anteriormente se tenía instalado el sistema de cloración) que
estaba recibiendo agua sin la debida desinfección. No obstante, el cambio implicó la
elaboración de un clorador artesanal, elaborado por los propios fontaneros de la ASADA,
dejando de lado el que ya habían adquirido y se tenía en uso en el tanque “Patal”, este sistema
carece de un medidor de caudal que permita regular la dosis de cloro aplicado, no existe un
protocolo establecido para la medición rutinaria del cloro residual libre, no se contaba al
momento de esta investigación con registros de estos datos y por ende no se tiene una forma
de evaluar la eficiencia del proceso. Si se constató que la colocación del sitio de cloración se
basó en el hecho de distribuir a sus abonados un producto que hubiese sido previamente
desinfectado, pero, no se tuvo consideración técnica alguna para la selección del sitio de
cloración, pues, aparte del mal estado de la estructura, se observó como el sistema de
cloración fue colocado cercano a la tubería de rebalse del tanque de reunión, cabe decir que
fue visible el rebalse de este tanque durante todas las visitas que se realizaron a la zona y por
ende es asumible las pérdidas de la disolución concentrada de cloro por esta tubería.
Las condiciones anteriores de infraestructura del tanque de reunión de aguas y su diseño,
así como el sistema dosificador de cloro, su ubicación y diseño no son los adecuados. No se
está dando el tiempo de contacto de cloro adecuado que permita una correcta desinfección
del agua que se abastece a los usuarios. Por lo tanto, este mal manejo requiere la atención
inmediata por parte del Acueducto de manera tal que se pueda optimizar la aplicación del
desinfectante y se aseguren niveles de cloro residual acordes a lo estipulado en la legislación
actual.
71
Figura 5.11. Sistema de cloración en tanque de reunión de aguas
5.5.1.3 Tanque de almacenamiento
A través de la tubería de conducción el agua que ha sido clorada previamente llega al
tanque de almacenamiento “Patal”, el cual, mediante mediciones internas de su estructura se
obtuvo que la medida en metros de sus componentes es la siguiente: largo 8,81, ancho 8,40
y altura del rebalse 2,00. Por lo tanto, el volumen útil para almacenar agua corresponde a
148,01 metros cúbicos. Partiendo del tanque de reunión de aguas, no se conoce el dato de
pérdidas de agua en él, esto debido a que no existen las condiciones para realizar mediciones
del caudal en el rebalse de esta infraestructura, también, existen conexiones de agua a
usuarios del servicio entre el tramo comprendido entre el tanque de reunión y el tanque
“Patal” y se desconoce su consumo, además, en este mismo tramo existe una desviación en
la línea de conducción que lleva agua a un sector del sector de Santa Cruz denominado Calle
Leiva, en donde se encuentran dos tanques de almacenamiento para la distribución de agua
de este barrio.
A estas situaciones desfavorables se le añade la inexistencia de macro medición a las
entradas o salidas de las estructuras hidráulicas que provocan que no exista de momento una
alternativa para estimar al menos el caudal que sale del tanque “Patal” y por ende no se tengan
datos como el tiempo de retención. Cabe señalar que este tanque se encuentra ubicado
72
contiguo a un sitio dedicado al pastoreo de vacas, en el que la malla de protección se
apreciaba defectuosa, a lo interno del tanque se observó la presencia de sedimentos, y como
se mencionó previamente, el sistema de cloración en este sitio se encuentra fuera de
operación debido a que actualmente se trasladó la desinfección al tanque de reunión. Tales
situaciones requieren la intervención por parte del acueducto para así asegurar la calidad del
recurso hídrico.
5.5.2 Propuesta de sistema de tratamiento
Basado en las condiciones actuales de infraestructura que incluye las captaciones, tanque
de reunión, líneas de conducción y el tanque de almacenamiento “Patal”. Considerando
además la calidad y disponibilidad del recurso hídrico que se tiene en relación a la demanda
actual y futura de agua potable para los usuarios del servicio es necesaria realizar una
intervención de manera tal que se puedan corregir asuntos relacionados con el diseño de la
infraestructura y su mantenimiento y principalmente con la calidad del recurso hídrico del
que dispone la población se considera en la figura 5.12 el sistema propuesto para el
tratamiento del agua que será destinada a las comunidades atendidas por esta ASADA.
Figura 5.12. Esquema de tratamiento de aguas propuesto para el abastecimiento de agua por parte del
Acueducto Rural de Santa Cruz de Turrialba
73
5.5.2.1 Parámetros de diseño del proceso para columnas de lecho fijo
Este proyecto de investigación permitió identificar una alternativa que requiere mayor
seguimiento para una eventual puesta en marcha a nivel comunal. Siendo así, para el diseño
de un sistema de tratamiento de aguas contaminadas con compuestos inorgánicos, como es
el caso del sulfato, mediante el uso de una resina de intercambio iónico, según (AWWA,
2011) se deben llevar a cabo las siguientes etapas que permitan validar la capacidad de este
sistema de tratamiento como alternativa real.
1. Seleccionar una resina y un nivel de regeneración usando la literatura del fabricante
de la resina.
2. Calcular la fracción permitida de agua que atravesará el lecho de la resina.
3. Elegir la velocidad de flujo de servicio (SFR, EBCT).
4. Calcular la longitud del recorrido y los volúmenes de lecho que pueden ser tratados
antes del punto de quiebre (breakthrough).
5. Calcular el volumen de resina requerido.
6. Determinar el tiempo mínimo fuera de servicio (en horas) durante la regeneración de
la resina.
7. Elegir la cantidad de columnas en el sistema.
8. Dimensionar las columnas.
9. Calcular el volumen y la composición de las aguas residuales.
El diseño de columnas de intercambio iónico involucra la determinación del volumen de
la resina, el área de superficie de resina requerida, el número de columnas, altura lateral y la
caída de presión propia del sistema. De acuerdo con (AWWA, 2011), existen un conjunto de
recomendaciones para el tamaño del lecho y velocidades de flujo
Profundidad: mínimo 0,76 m y máximo 3,70 m
Tiempo de contacto del filtro vacío (EBCT): 1,5 – 7,0 minutos. Esto determina el
volumen de la resina.
74
Tasa de flujo de servicio (SFR) corresponde a la tasa de agotamiento. Este se
encuentra en un rango de (8 – 40 BV/h)
La fórmula para obtener el EBCT = VR/QF (tiempo promedio de detención de agua
en una cama vacía)
El SFR = 1 / EBCT = QF/VR
Donde:
El QF es el caudal volumétrico del agua de alimentación y está dado en L/min
El VR corresponde al volumen de la resina, incluyendo vacíos, se expresa en m3 (ft3)
Los sistemas empleados hoy en día muestran que las resinas son empacadas en recipientes
de acero, esto permite generar una serie de condiciones favorables:
Buen sistema de alimentación y buen sistema de distribución de regenerante.
Buen soporte, incluye disposición para el agua de distribución de retrolavado.
Suficiente espacio libre sobre/encima del lecho de resina para cualquier expansión
durante el retrolavado.
Es importante que el recipiente deba resistir las soluciones usadas para limpiar la
resina.
Además, con respecto al proceso de regeneración en paralelo y en contracorriente, llevados
a cabo como una etapa normal del funcionamiento de los intercambiadores iónicos, son
necesarias las pruebas previo a una instalación a nivel comunal. Ambos casos son válidos.
Por un lado, el agotamiento de flujo descendente seguido de regeneración en paralelo de flujo
descendente han sido el modo usual para la operación de las resinas de intercambio iónico.
Mientras que, el flujo ascendente (contracorriente) se usa con el fin de minimizar la fuga de
iones contaminantes en las siguientes puestas en marcha del intercambiador iónico, esto
porque la parte inferior del lecho queda regenerada.
Todas estas acciones, deben contemplarse en proyectos a nivel de laboratorio o a nivel
piloto en el campo previo a una eventual puesta en marcha en sistemas comunitarios. Sin
embargo, no se atienden en la presente investigación debido a limitaciones de tipo
económicas y de tiempo. Por esto, se plantea la posibilidad de ser considerado como un futuro
75
proyecto de investigación, que dé un seguimiento al actual trabajo y se procedan a considerar
múltiples ensayos bajo las mejores condiciones de operación posibles, de manera tal que
exista en el país las capacidades para llevar a cabo este tipo de tecnologías de tratamiento de
agua de ser requeridas.
5.5.2.2 Tanque de almacenamiento
Para el diseño de esta estructura se debe al menos tener la capacidad para compensar las
fluctuaciones horarias de la demanda, también, deben tener la capacidad para combatir
incendios y, además, deberá considerar un volumen para interrupciones, por lo tanto, el
volumen del tanque corresponderá al mayor de los valores obtenidos del cálculo de los
volúmenes para regulación de consumo, reserva para incendios y reserva por interrupciones.
En el cuadro 5.16 se muestra el resultado de las estimaciones de los volúmenes del tanque
de almacenamiento para el periodo de diseño propuesto de 25 años.
Cuadro 5.16. Cálculo de los volúmenes de almacenamiento
Capacidad de almacenaje Volumen (m3)
Regulación de consumo 522
Contra incendios 144
Reserva 290
Con la determinación de estos volúmenes se observa como el acueducto requiere de un
tanque de almacenamiento de 522 m3 de manera que se cubran los requerimientos de la
población en el año 2045. Para efectos de construcción de esta estructura se pueden hacer
consideraciones como por ejemplo separar el volumen en al menos 2 o más tanques para que
permita mantener al menos un tanque en funcionamiento durante los periodos de
mantenimiento, limpieza, reparaciones o fugas. También, se deben definir aspectos como la
posición del tanque (elevado, superficial, enterrado o semienterrado) y considerar el material
de construcción como lo pueden ser el concreto, plástico o metal.
76
6. CONCLUSIONES
La oferta promedio de agua según estimaciones con datos de los aforos de los últimos 4
años indican que se cuenta con 41,49 L·s-1 de los cuales, 12, 62 L·s-1 corresponden al
caudal producido por la naciente “El Tirrá”, 10,22 L·s-1 para la naciente “Caragra”, 5,90
L·s-1 son generados por la naciente “La Quebrada” y los restantes 12,75 L·s-1 los aporta
la naciente “El Cedro”
Con respecto a la calidad del recurso hídrico ofertado, la captación “El Tirrá” cumple con
los parámetros admisibles estipulados en el reglamento para la calidad del agua potable
en Costa Rica. Las nacientes “Caragra” y “La Quebrada” presentan valores de calidad
del agua que incumplen la normativa. La naciente “El Cedro” es la naciente con el peor
escenario con respecto a las anteriores.
La demanda de agua actual para las comunidades abastecidas se estima en 302 ± 50 litros
por persona al día, para efectos de diseño se asume un valor de 325 L/persona*día y
considerando pérdidas de hasta un 25 % el valor resultante puede ascender hasta los 433
L/persona*día. Se requiere de un caudal máximo diario (QMD) de 20,13 L·s-1 para el año
2045 considerando el crecimiento poblacional y pérdidas de agua de hasta un 25%.
El hipoclorito de calcio, utilizado como agente para la desinfección del agua, muestra una
capacidad de reducir la concentración del calcio en un 12,35%, el magnesio disminuye
en un 61,90% y en el caso del sulfato un 6,98%. La cal comercial utilizada, incrementó
la concentración de calcio en disolución (caso desfavorable), no obstante, para la
remoción de magnesio presentó eficiencias de hasta 99 %.
A partir de los datos obtenidos de la curva de ruptura de la resina, así como de los modelos
experimentales empleados para la retención del ion sulfato, el sistema tuvo la capacidad
de retener 84,30 mg de sulfato por cada gramo de resina. Se demuestra la capacidad del
sistema para tratar el agua y obtener una concentración de sulfato en el efluente aceptable
con lo estipulado en la normativa vigente.
77
7. RECOMENDACIONES
El hipoclorito de calcio utilizado como agente desinfectante muestra un comportamiento
especial, pues regula hacia la baja la concentración de contaminantes como el calcio,
magnesio y sulfato. Por ende, se recomienda estudiar el mecanismo que ocurre y que
genera esta situación. Para este estudio, demostró ser capaz de ajustar los parámetros de
calidad de agua acordes a la normatividad.
Para la prueba de ablandamiento con cal se deben realizar los ajustes necesarios para una
posible implementación a nivel de laboratorio. Para esta investigación se desestimó como
alternativa viable. Pese a reportarse valores de remoción de hasta un 99% de magnesio
Considerando los parámetros favorables de calidad del agua de la naciente “El Tirrá” es
posible su aprovechamiento sin la necesidad de tratamiento alguno. Por tal motivo, sería
necesario diseñar una planta de tratamiento de al menos 9 L/s para ajustar los
requerimientos de caudal para el año 2045. Siendo así, se sugiere aprovechar el caudal
de la naciente “Caragra” y eventualmente la naciente la quebrada para ser tratadas
Se deben realizar más pruebas a nivel de laboratorio utilizando la resina de intercambio
iónico para evaluar su aplicación bajo diferentes condiciones de operación, de manera
que se pueda predecir su comportamiento en proyectos futuros de escala comunal.
79
8. REFERENCIAS
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governance and objective-driven policy setting in question2014Revue d'Études en
Agriculture et Environment203-226
Uso y estado de los recursos: recurso hídrico
9. APÉNDICES
APÉNDICE 1. REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LAS CAPTACIONES Y SU
SITIO DE AFORO.
Figura A.1.1. Captación “Caragra” Figura A.1.2. Tubería de conducción y
tubería aforos “Caragra”
Figura A.1.3. Captación “El Cedro” Figura A.1.4. Tubería aforo “El Cedro”
Figura A.1.5. Captación “El Tirrá” Figura A.1.6. Tubería de conducción y línea
para aforos “El Tirrá”
Figura A.1.7. Captación “La Quebrada” Figura A.1.8. Tubería de aforo “La
Quebrada”
APÉNDICE 2. REGISTRO DE AFOROS
Cuadro A.2.1. Registro de aforo realizado por la ASADA Santa Cruz de Turrialba
Mes
Caudal (L/s)
Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá Total
2015 2016 2017 2018 2015 2016 2017 2018 2015 2016 2017 2018 2015 2016 2017 2018 2015 2016 2017 2018
Enero 13.30 10.80 7.12 N.R 9.20 12.00 N.R N.R 3.50 3.50 3.58 N.R 12.00 11.90 11.50 N.R 38.00 38.20 22.20 N.R
Febrero 9.90 9.30 N.R 11.20 12.00 11.60 14.81 14.59 3.60 3.90 N.R 8.61 15.30 12.50 N.R 14.32 40.80 37.30 14.81 48.73
Marzo 8.90 9.60 N.R 14.48 15.00 12.20 N.R 12.21 3.70 3.40 N.R 9.42 15.60 12.10 N.R 13.69 43.50 37.30 N.R 49.80
Abril 9.50 9.50 N.R 9.97 10.50 10.50 N.R 12.98 3.70 3.70 N.R 8.19 11.00 14.70 N.R 10.97 34.70 38.40 N.R 42.10
Mayo 7.40 7.90 N.R N.R 13.30 11.30 N.R N.R 3.90 3.90 N.R N.R 10.50 11.90 N.R N.R 35.10 35.00 N.R N.R
Junio 8.00 9.06 N.R N.R 15.00 10.25 N.R N.R 3.80 N.R N.R N.R 12.50 8.74 N.R N.R 39.30 28.05 N.R N.R
Julio N.R 8.99 N.R N.R N.R 11.44 N.R N.R N.R N.R N.R N.R N.R 7.88 N.R N.R N.R 28.31 N.R N.R
Agosto 8.06 9.95 10.36 N.R 13.10 14.39 N.R N.R 3.40 N.R 7.57 N.R 15.70 8.36 11.62 N.R 40.26 32.70 29.55 N.R
Setiembre N.R 9.63 N.R N.R N.R 10.06 N.R N.R N.R N.R N.R N.R N.R 6.92 N.R N.R N.R 26.61 N.R N.R
Octubre N.R 14.07 N.R N.R N.R 7.76 N.R N.R N.R 3.58 N.R N.R N.R 11.49 N.R N.R N.R 36.90 N.R N.R
Noviembre N.R 8.20 N.R N.R N.R 18.52 N.R N.R N.R 4.02 N.R N.R N.R 12.05 N.R N.R N.R 42.79 N.R N.R
Diciembre N.R 9.06 10.00 N.R N.R 12.18 12.60 N.R N.R 2.59 7.40 N.R N.R 13.16 13.30 N.R N.R 36.99 43.30 N.R
Promedio 9.29 9.67 9.16 11.88 12.63 11.85 13.71 13.26 3.66 3.57 6.18 8.74 13.23 10.98 12.14 12.99 38.81 36.07 41.19 46.88
Desv. Estándar 1.97 1.58 1.78 2.33 2.24 2.63 1.56 1.22 0.17 0.45 2.3 0.63 2.25 2.40 1.01 1.78 6.64 7.06 6.60 5.96
APÉNDICE 3. REGISTRO DE AFOROS REALIZADOS POR EL
PROYECTISTA
Cuadro A.3.1. Registro de aforos del mes de agosto del 2017
Fecha
(dd/mm/aa)
Fuente Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá
Medición* Tiempos (s)
11/08/17
1 2.34 1.13 2.64 1.09
2 2.09 1.24 2.54 1.57
3 2.06 1.09 5.36 1.41
4 2.16 1.35 2.47 1.76
5 2.42 1.05 2.35 1.36
25/08/17 1 1.79 1.5 2.59 1.74
2 1.86 1.41 2.69 1.56
3 1.74 1.39 2.65 1.48
4 1.81 1.4 2.8 1.6
5 1.79 1.37 2 1.84
Promedio tiempos (s) 2.01 1.29 2.81 1.54
Caudal Agosto (L·s-1) 10.87 16.86 7.76 14.15
Desviación estándar 1.28 2.18 1.71 2.42
Cuadro A.3.2. Registro de aforos del mes de setiembre del 2017
Fecha
(dd/mm/aa)
Fuente Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá
Medición* Tiempos (s)
08/09/17
1 2.01 1.64 2.27 1.95
2 1.97 1.43 2.47 1.69
3 1.99 1.55 2.48 1.48
4 2.04 1.48 2.43 1.35
5 2.11 1.51 2.37 2.01
22/09/17
1 1.78 1.43 2.41 1.65
2 1.83 1.44 2.25 1.54
3 1.75 1.38 2.39 1.55
4 1.86 1.47 2.44 1.42
5 1.99 1.28 2.53 1.49
Promedio tiempos (s) 1.93 1.46 2.40 1.61
Caudal Setiembre (L·s-1) 11.28 14.92 9.07 13.52
Desviación estándar 0.71 1.01 0.34 1.71
Cuadro A.3.3. Registro de aforos del mes de octubre del 2017
Fecha
(dd/mm/aa)
Fuente Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá
Medición* Tiempos (s)
10/10/17
1 1.63 1.74 2.73 1.53
2 2.13 1.54 2.52 1.41
3 2 1.5 2.61 1.53
4 2.05 1.32 2.54 1.5
5 2.38 1.6 2.65 1.58
20/10/17
1 1.95 1.42 2.45 1.67
2 2.61 1.48 2.63 1.59
3 2.4 1.32 2.78 1.54
4 2.12 1.41 2.62 1.69
5 2.15 1.29 2.74 1.55
Promedio tiempos (s) 2.14 1.46 2.63 1.56
Caudal Octubre (L·s-1) 10.18 14.91 8.30 13.98
Desviación estándar 1.39 1.40 0.33 0.73
Cuadro A.3.4. Registro de aforos del mes de noviembre del 2017
Fecha
(dd/mm/aa)
Fuente Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá
Medición* Tiempos (s)
03/11/17
1 2.25 1.89 2.8 1.68
2 2.55 1.52 2.39 1.34
3 2.26 1.6 2.54 1.38
4 1.8 1.58 2.78 1.4
5 2.38 1.65 2.67 1.36
17/11/17
1 2.59 1.79 3.02 2.03
2 2.62 1.88 2.78 1.75
3 2.04 1.73 2.56 1.82
4 2.15 1.78 2.6 1.53
5 2.39 1.6 2.98 2.02
Promedio tiempos (s) 2.14 2.30 1.70 2.71
Caudal Noviembre (L·s-1) 10.18 9.47 12.81 8.04
Desviación estándar 1.39 1.17 0.98 0.59
Cuadro A.3.1. Registro de aforos del mes de diciembre del 2017
Fecha
(dd/mm/aa)
Fuente Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá
Medición* Tiempos (s)
01/12/17
1 2.56 1.86 2.38 2.17
2 2.5 1.48 2.51 2.04
3 2.5 1.56 2.48 1.92
4 1.98 1.57 2.26 2.08
5 1.89 1.58 2.98 1.97
12/12/17
1 1.94 1.27 2.71 1.85
2 2.17 1.64 2.64 1.48
3 2.04 1.71 2.78 1.51
4 2.03 1.72 2.66 1.56
5 2.14 1.54 2.72 1.44
Promedio tiempos (s) 2.18 1.59 2.61 1.80
Caudal Diciembre (L·s-1) 10.02 13.68 8.35 12.10
Desviación estándar 1.12 1.46 0.68 1.97
*Los aforos con un recipiente de volumen conocido, el cual corresponde a 21,8 L.
10. APENDICE 4. REGISTRO DE ANÁLISIS DE LABORATORIO
Cuadro A.4.1. Registro histórico de análisis de laboratorio efectuados para evaluar la calidad del
recurso hídrico de las captaciones de la ASADA Santa Cruz de Turrialba.
Periodo Nacientes Concentración de contaminantes (mg·L-1)
Calcio Magnesio Sulfato Dureza Total Potasio
II - 2009
Caragra 43,5 33,5 109,8 247 7,7
El Cedro 63,5 54,3 253,6 382 12
La Quebrada - - - - -
El Tirrá 50,4 43,2 203,1 304 11
II - 2012
Caragra 69,7 51 254,26 384 17,2
El Cedro 72,9 60,1 272,88 430 16,7
La Quebrada - - - - -
El Tirrá 47,5 33,7 113,18 257 10,5
I - 2014
Caragra 96,6 71,2 446,3 535 15,8
El Cedro 73,7 57,3 300 420 11,3
La Quebrada - - - - -
El Tirrá 53,2 30,1 159 257 8,2
II - 2014
Caragra 65,6 49,2 250,83 367 -
El Cedro 76,4 62,6 356,95 448 -
La Quebrada 68,6 54,8 279,05 397 -
El Tirrá 35,2 23,3 109,26 184 6,6
I - 2016
Caragra - 72 402 528 -
El Cedro - 63 334 463 -
La Quebrada - 59 284 433 -
El Tirrá - 49 188 376 -
Cuadro A.4.2. Registro de análisis de laboratorio efectuados por el proyectista para evaluar la calidad del
recurso hídrico de las captaciones de la ASADA Santa Cruz de Turrialba.
Fecha
(dd/mm/aa)
Parámetro
(mg·L-1)
Naciente
Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá
11/08/17
Calcio 85 89 86 58
Magnesio 68 76 72 42
Sulfato 325 350 352 191
Dureza Total 492 535 511 318
Potasio 16 15 14 10
25/08/17
Calcio 80 77 75 54
Magnesio 64 62 59 38
Sulfato 362 346 347 191
Dureza Total NR NR NR NR
Potasio NR NR NR NR
08/09/17
Calcio 92 92 90 78
Magnesio 70 71 69 41
Sulfato 355 359 351 164
Dureza Total 518 522 509 364
Potasio 16 15 14 10
22/09/17
Calcio 93 95 91 59
Magnesio 67 71 67 32
Sulfato 359 363 330 175
Dureza Total 508 530 503 279
Potasio 17 16 14 10
10/10/17
Calcio 84 88 90 49
Magnesio 63 71 72 26
Sulfato 311 355 351 136
Dureza Total 469 512 521 229
Potasio 15 14 14 8
20/10/17
Calcio 80 84 84 48
Magnesio 70 75 74 38
Sulfato 388 412 388 174
Dureza Total 488 519 514 276
Potasio 15 14 14 8
03/11/17
Calcio 84 87 82 50
Magnesio 72 77 72 40
Sulfato 358 330 363 166
Dureza Total 506 534 501 290
Potasio 16 14 13 9
Continuación del cuadro A.4.2.
Fecha
(dd/mm/aa)
Parámetro
(mg·L-1)
Naciente
Caragra El Cedro La Quebrada El Tirrá
17/11/17
Calcio 86 86 86 51
Magnesio 70 72 71 37
Sulfato 321 329 326 152
Dureza Total 503 511 507 280
Potasio 16 15 14 9
01/12/17
Calcio 76 81 82 36
Magnesio 62 69 68 32
Sulfato 343 360 317 139
Dureza Total 445 486 485 222
Potasio 14 13 14 7,5
12/12/17
Calcio 80 85 87 46
Magnesio 62 73 66 31
Sulfato 352 335 345 152
Dureza Total 455 513 489 243
Potasio 15 14 13 8,3
APÉNDICE 5. DATOS DE MICROMEDICIÓN APORTADOS POR LA
ADMINISTRACIÓN DEL ACUEDUCTO RURAL DE SANTA CRUZ DE TURRIALBA
Cuadro A.5.1. Datos generales de micromedición
Parámetro Cantidad Detalles/Observaciones
Habitantes 3563 Distrito Santa Cruz -INEC-2012
Abonados (2016) 906 Informe ASADAS TLBA - 2016
Abonados (2018) 933 Entrevista Administradora - 2018
Abonados activos 834 Entrevista Administradora - 2018
Pajas activas 924 No coincide con número de abonados
Pajas activas con medidor 193 Datos al 18/04/2018
Pajas activas sin medidor 731 Datos al 18/04/2018
Número de medidores 225 Datos al 18/04/2018
Compra de medidores 50 aproximadamente al mes
Cuadro A.5.2. Datos de consumo (m3) según la cantidad y tipo de pajas activas
Fecha
(mm/aa)
Cantidad de Pajas activas Metros cúbicos (m3)
Domiciliar No domiciliar Totales Domiciliar No domiciliar Totales
09/17 122 45 167 2288 3779 6067
10/17 139 51 190 1938 2748 4686
11/17 138 45 183 1575 2576 4151
12/17 142 46 188 1639 3694 5333
01/18 146 45 191 2329 4158 6487
02/18 152 45 197 2549 3904 6453
03/18 152 43 195 2567 3557 6124
04/18 157 44 201 3066 4162 7228
Cuadro A.5.3. Resumen de pajas activas al mes de abril del 2018.
Localidad Domiciliar Comercial Especial Industrial Otras Total
Santa Cruz 247 4 21 2 0 274
El Carmen 218 3 10 2 0 233
San Rafael 257 1 6 1 0 265
Verbena Norte 149 0 2 0 0 151
La Pastora 0 0 1 0 0 1
Totales 871 8 40 5 0 924
Porcentaje 94,26 0,87 4,33 0,54 0,00 100,00
Cuadro A.5.4. Resumen de pajas inactivas al mes de abril del 2018.
Localidad Domiciliar Comercial Especial Industrial Otras Total
Santa Cruz 54 6 9 1 0 70
El Carmen 47 1 10 1 0 59
San Rafael 30 1 5 1 0 37
Verbena Norte 15 0 0 0 0 15
La Pastora 1 0 0 0 0 1
Totales 147 8 24 3 0 182
Porcentaje 80,77 4,40 13,19 1,65 0,00 100,00
11. APÉNDICE 6. PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN PARA LA COMUNIDAD DE
SANTA CRUZ DE TURRIALBA
Cuadro A.6.1. Proyección de la población para la comunidad de Santa Cruz de Turrialba.
Año proyectado Método lineal o
aritmético
Método
geométrico
Método
logarítmico Promedio
2020 3034 3044 3415 3164
2021 3014 3026 3439 3160
2022 2995 3008 3463 3155
2023 2976 2991 3487 3151
2024 2956 2973 3511 3147
2025 2937 2956 3536 3143
2026 2918 2939 3561 3139
2027 2898 2922 3585 3135
2028 2879 2905 3610 3131
2029 2859 2888 3636 3128
2030 2840 2871 3661 3124
2031 2821 2854 3687 3120
2032 2801 2837 3712 3117
2033 2782 2821 3738 3114
2034 2763 2805 3764 3110
2035 2743 2788 3790 3107
2036 2724 2772 3817 3104
2037 2705 2756 3844 3101
2038 2685 2740 3870 3098
2039 2666 2724 3897 3096
2040 2646 2708 3925 3093
2041 2627 2692 3952 3090
2042 2608 2676 3979 3088
2043 2588 2661 4007 3085
2044 2569 2645 4035 3083
2045 2550 2630 4063 3081
2046 2530 2615 4092 3079
2047 2511 2599 4120 3077
2048 2492 2584 4149 3075
2049 2472 2569 4178 3073
2050 2453 2554 4207 3071
12. APÉNDICE 7. COMPARACIÓN DE RESINAS DISPONIBLES COMERCIALMENTE
Cuadro A.7.1. Comparación de resinas disponibles comercialmente.
Resina Revisión bibliográfica
Nombre Cantidad
(g)
Precio
($) Titulo/doi
Año de
publicación Observaciones
IRA 400
Cl
500 136
Arsenic removal from groundwater by ion exchange and
adsorption processes: comparison of two different materials.
DOI: 10.2166/ws.2015.054
2015
Se indica como el sulfato era un interferente en el
proceso, según Chiavola et al. 2012, debido a que este
compuesto compite con el arsénico en el proceso de
intercambio iónico.
IRA-910 1 000 133
Competitive removal of dissolved organic matter (DOM)
and inorganic anions by anion exchange resins (AERs)
DOI: 10.2166/ws.2012.037
2012
Comparó 2 resinas (IRA-910 y Purolite)
Esta resina tuvo la eliminación más baja de carbón
orgánico disuelto.
Adsorbió un 90% del sulfato en la muestra de agua.
Speciation analysis of inorganic arsenic in river
water by Amberlite IRA 910 resin immobilized in a
polyacrylamide gel as a selective binding agent for As(V) in
diffusive gradient thin film technique
DOI: 10.1039/c4an00555d
2014
La resina tuvo la capacidad de remover As(V) en un
rango de pH de 5-9 y una fuerza iónica que varía entre
0.001-0.1 mol/L
Continuación del cuadro A.7.1.
Resina Revisión bibliográfica
Nombre Cantidad
(g)
Precio
($) Titulo/doi
Año de
publicación Observaciones
Dowex
21K
1 000 194
Removing nitrate from water using iron-modified Dowex
21K XLT ion
exchange resin: Batch and fluidised-bed adsorption studies
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.seppur.2015.12.022
2016 El sulfato “compite” y por ende reduce la adsorción de
nitrato en este experimento.
Removal of phosphorus by a high rate membrane
adsorption hybrid system
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2015.11.045
2016 Esta resina tiene la capacidad de adsorber sulfato (17
mg-S / g)
Dowex
Marathon
11
250 122
Competition Impact of Sulfate on NOM Removal by Anion-
Exchange
Resins in High-Sulfate and Low-SUVA Waters
DOI: dx.doi.org/10.1021/ie401814v
2013
Se trabajó con concentraciones de sulfato de 17-300
mg/L y de 390-600 mg/L
El sulfato tiene a inhibir la remoción de otros
compuestos debido a la alta selectividad que tienen las
resinas con el sulfato.
